KR100364448B1 - Calcium free subtilisin mutants - Google Patents

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KR100364448B1
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subtilisin
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calcium
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필립 엔. 브라이언
패트릭 에이. 알렉산더
수잔 엘. 스트라우스베르그
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유니버시티 오브 메릴랜드
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/48Hydrolases (3) acting on peptide bonds (3.4)
    • C12N9/50Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25)
    • C12N9/52Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25) derived from bacteria or Archaea
    • C12N9/54Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25) derived from bacteria or Archaea bacteria being Bacillus

Abstract

Novel calcium free subtilisin mutants are taught, in particular subtilisins which have been mutated to eliminate amino acids 75-83 and which retain enzymatic activity and stability. Recombinant methods for producing same and recombinant DNA encoding for such subtilisin mutants are also provided.

Description

칼슘-비결합 서브틸리신 돌연변이체{CALCIUM FREE SUBTILISIN MUTANTS}Calcium-unbound subtilisin mutant {CALCIUM FREE SUBTILISIN MUTANTS}

(1) 발명의 분야(1) Field of invention

본 발명은 칼슘 결합을 제거하기 위하여 변형된 서브틸리신 단백질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 신규한 서브틸리신 I-S1 및 I-S2 서브틸리신 돌연변이체, 구체적으로 칼슘 A-결합 루프가 결실되어 있는, 특히 아미노산 75 - 83 이 결실되어 있고, 증가된 열 안정성 및/또는 접힘 반응에 협동성을 회복시키는 하나 또는 그 이상의 다른 돌연변이, 예컨대 서브틸리신 변형을 추가로 포함할수 있는 BPN' 돌연변이에 관한 것이다.The present invention relates to a subtilisin protein modified to remove calcium binding. More specifically, the present invention provides novel subtilisin I-S1 and I-S2 subtilisin mutants, in particular amino acids 75-83, which are deleted from the calcium A-binding loop, and increased heat. It relates to a BPN 'mutation that may further comprise one or more other mutations, such as subtilisin modifications, that restore coordination to stability and / or folding reactions.

(2) 관련 기술에 대한 설명(2) Description of related technology

서브틸리신은 접힘 및 풀림에 대한 실질적인 역학 장벽을 가지고 있는 단량체 단백질의 예외적인 실예이다. 그것의 잘 알려져 있는 보기인 서브틸리신 BPN' 은 바실루스 아밀로리쿠에파시엔스 (Bacillus amyloliquefaciens) 에 의해 분비되는 275 아미노산 세린 프로테아제이다. 이 효소는 산업적으로 상당히 중요하며 많은 단백질 공학 연구의 대상이 되고 있다 [Siezen et al.,Protein Engineering,4:719-737 (1991); Bryan,Pharmaceutical Biotechnology,3(B):147-181 (1992); Wells et al.,Trends Biochem. Sci.,13:291-297 (1988)]. 서브틸리신 BPN' 에 대한 아미노산 서열은 당해 기술 분야에 알려져 있으며, 문헌에서도 찾아볼 수 있다 [Vasantha et al.,J. Bacteriol.,159:811-819 (1984)]. 상기 문헌에서 찾아볼 수 있는 아미노산 서열은 본원에서 인용된다 [서열 ID NO:1]. 본 발명의 전 명세를 통해서 본 출원인이 서브틸리신 BPN' 또는 그것의 돌연변이체들의 아미노산 서열을 언급할 때에는 상기에 인용된 아미노산 서열을 언급하는 것이다.Subtilisin is an exceptional example of a monomeric protein that has a substantial dynamic barrier to folding and unwinding. Its well known example, subtilisin BPN ', is a 275 amino acid serine protease secreted by Bacillus amyloliquefaciens . This enzyme is of great industrial importance and has been the subject of many protein engineering studies [Siezen et al., Protein Engineering, 4: 719-737 (1991); Bryan, Pharmaceutical Biotechnology, 3 (B): 147-181 (1992); Wells et al., Trends Biochem. Sci., 13: 291-297 (1988). Amino acid sequences for subtilisin BPN 'are known in the art and can also be found in the literature (Vasantha et al., J. Bacteriol., 159: 811-819 (1984)). Amino acid sequences found in these documents are cited herein [SEQ ID NO: 1]. When we refer to the amino acid sequence of subtilisin BPN 'or mutants thereof throughout the present specification, we refer to the amino acid sequence cited above.

서브틸리신은 그람 양성 박테리아에 의해 또는 진균류에 의해 생산되는 세린 프로테아제이다. 많은 서브틸리신의 아미노산 서열이 알려져 있다 [Siezen et al.,Protein Engineering,4:719-737 (1991)]. 그러한 것으로는 바실루스 계통으로부터 유도되는 다섯가지의 서브틸리신이 있는데, 예를 들면 서브틸리신 BPN', 서브틸리신 칼스베르그, 서브틸리신 DY, 서브틸리신 아밀로사카리티쿠스, 및 메센티코펩티다제가 있다 [Vasantha et al., "바실루스 아밀로리쿠에파시엔스로부터 얻어지는 알칼리성 프로테아제 및 중성 프로테아제에 대한 유전자는 신호 서열과 성숙한 단백질을 코딩하는 영역사이에 커다란 오픈-리딩 프레임을 함유한다",J. Bacteriol.,159:811-819 (1984); Jacobs et al., "바실루스 리케니포르미스로부터 얻어지는 서브틸리신 칼스베르그의 클로닝 서열화 및 발현",Nucleic Acids Res., 13:8913-8926 (1985); Nedkov et al., "서브틸리신 DY 의 완전한 아미노산 서열의 측정 및 그것과 서브틸리신 BPN', 칼스베르그 및 아밀로사카리티쿠스의 일차 구조와의 비교",Biol. Chem. Hoppe-Seyler,366:421-430 (1985); Kurihara et al., "서브틸리신 아밀로사카리티쿠스"J. Biol. Chem.,247:5619-5631 (1972); 및 Svendensen et al., "알칼리성 메센테리코펩티다제의 완전한 아미노산 서열",FEBS Lett.,196:228-232 (1986)].Subtilisin is a serine protease produced by Gram-positive bacteria or by fungi. The amino acid sequences of many subtilisins are known (Siezen et al., Protein Engineering, 4: 719-737 (1991)). Such are five subtilisin derived from the Bacillus lineage, for example subtilisin BPN ', subtilisin Carlsberg, subtilisin DY, subtilisin amylosacaricitis, and mesentopeptides. I [Vasantha et al., "The genes for alkaline proteases and neutral proteases obtained from Bacillus amyloliquefaciens contain a large open-reading frame between the signal sequence and the region encoding the mature protein", J. Bacteriol., 159: 811-819 (1984); Jacobs et al., “Clone Sequencing and Expression of Subtilisin Carlsberg Obtained from Bacillus rickeniformis,” Nucleic Acids Res. , 13: 8913-8926 (1985); Nedkov et al., "Measurement of the Complete Amino Acid Sequence of Subtilisin DY and Its Comparison with Primary Structures of Subtilisin BPN ', Carlsberg and Amylosacaritis," Biol. Chem. Hoppe-Seyler, 366: 421-430 (1985); Kurihara et al., "Subtilisin Amylosacaritis" J. Biol. Chem., 247: 5619-5631 (1972); And Svendensen et al., "Complete amino acid sequence of alkaline mesentericcopeptidase", FEBS Lett., 196: 228-232 (1986).

두가지의 진균 프로테아제로부터 얻어지는 서브틸리신의 아미노산 서열이 공지이다 : 트리티라키움 알밤 (Tritirachium albam)으로부터의 프로테이나제 K [Jany et al., "트리티라키움 알밤 림버로부터의 프로테이나제 K",Biol. Chem. Hoppe-Seyler,366:485-492 (1985)] 및 호열성 진균인 말브란키아 풀켈라 (Malbranchea pulchella) 로부터의 써모미콜라제 (thermomycolase) [Gaucher et al., "엔도펩티다제: 써모미콜린 (Thermomycolin)",Methods Enzymol.,45:415-433 (1976)].The amino acid sequence of the subtilisin obtained from two fungal proteases is known: Proteinase K from Tritirachium albam [Jany et al., "Proteinase K from Trityrachium albam rimber" , Biol. Chem. Hoppe-Seyler, 366: 485-492 (1985)] and thermomycolase from the thermophilic fungus Malbranchea pulchella [Gaucher et al., "Endopeptidase: Thermomime Thermomycolin ", Methods Enzymol., 45: 415-433 (1976).

상기 효소들은 그것들의 일차 구조와 효소학적 성질을 통해서뿐만 아니라 x-선 결정학 데이터의 비교에 의해서 서브틸리신 BPN' 에 관련된 것으로 밝혀졌다 [McPhalen et al., "서브틸리신 칼스베르그와 복합 상태의 리치 (leech) 로부터의억제제 에글린의 결정 및 분자 구조"FEBS Lett.,188:55-58 (1985) 및 Pahler et al., "진균류 프로테이나제 K 의 삼차원 구조는 박테리아 서브틸리신과 유사성을 나타낸다",EMBO J., 3:1311-1314 (1984)].The enzymes have been shown to be involved in subtilisin BPN 'not only through their primary structure and enzymatic properties, but also by comparison of x-ray crystallographic data [McPhalen et al., "Complex state with subtilisin Carlsberg Crystallization and Molecular Structure of Inhibitor Eglin from Leech FEBS Lett., 188: 55-58 (1985) and Pahler et al., “The three-dimensional structure of the fungal proteinase K shows similarity to bacterial subtilisin. ", EMBO J. , 3: 1311-1314 (1984)].

서브틸리신 BPN' 은 바실루스 아밀로리쿠에파시엔스에 의해 분비되는 특정한 서브틸리신 유전자의 한 실예이다. 이 유전자는 클론되었고, 서열화되었으며, 고초균에 있는 그것의 천연 프로모터 서열로부터 높은 수준으로 발현되었다. 서브틸리신 BPN' 의 구조는 1.3 Å 해상도로 매우 치밀하며 (R = 0.14), 2 개의 이온 결합 부위는 구조적으로 상세하게 밝혀져 있다 [Finzel et al.,J. Cell. Biochem. Suppl.,10A:272 (1986); Pantoliano et al.,Biochemistry27:8311-8317 (1988); McPhalen et al.,Biochemistry27:6582-6598 (1988)]. 이들 중 하나 (부위 A) 는 Ca2+와 높은 친화성으로 결합하고 N-말단 가까이에 위치하고 있는 반면, 다른 것 (부위 B) 은 칼슘 및 다른 양이온들에 훨씬 약하게 결합하며 약 32 Å 떨어져 위치하고 있다 (도 1). 2 개의 칼슘 결합 부위에 대한 구조적 증거는 또한 상동성 효소인 서브틸리신 칼스베르그에 대해 보드 등에 의해 보고되었다 [Bode et al.,Eur. J. Biochem., 166:673-692 (1987)].Subtilisin BPN 'is an example of a particular subtilisin gene secreted by Bacillus amyloliquefaciens. This gene was cloned, sequenced and expressed at high levels from its native promoter sequence in Bacillus subtilis. The structure of subtilisin BPN 'is very dense at 1.3 kV resolution (R = 0.14) and the two ionic binding sites are structurally detailed [Finzel et al., J. Cell. Biochem. Suppl., 10A: 272 (1986); Pantoliano et al., Biochemistry 27: 8311-8317 (1988); McPhalen et al., Biochemistry 27: 6582-6598 (1988). One of them (site A) binds Ca 2+ with high affinity and is located near the N-terminus, while the other (site B) binds much weaker to calcium and other cations and is located about 32 Å away. (FIG. 1). Structural evidence for the two calcium binding sites has also been reported by Bod et al. For the homologous enzyme subtilisin Carlsberg [Bode et al., Eur. J. Biochem. , 166: 673-692 (1987).

나아가 이런 견지에서, 그룹 I-S1 및 I-S2 의 모든 서브틸리신에 있는 일차 칼슘 결합 부위 [Siezen et al., 1991, 하기 표 7] 는 나선 C 의 동일한 위치에 있는 거의 동일한 9 개의 잔기 루프로부터 형성된다. I-S1 서브틸리신 BPN' 및 칼스베르그와, 또한 I-S2 서브틸리신 사비나제의 X-선 구조는 고해상도로 측정되었다.이들 구조의 비교 결과, 세 개 모두 거의 동일한 칼슘 A-부위를 가지고 있음이 증명되었다.Further in this respect, the primary calcium binding sites in all subtilisin of groups I-S1 and I-S2 [Siezen et al., 1991, Table 7 below] are nearly identical nine residue loops at the same position of helix C. It is formed from. The X-ray structures of the I-S1 subtilisin BPN 'and Carlsberg, and also the I-S2 subtilisin sabinase, were measured at high resolution. As a result of the comparison of these structures, all three had almost identical calcium A-sites. Has been proved.

제I부류의 서브틸라제, 즉 써모악티노마이세스 불가리스 (Thermoactinomyces vulgaris) 로부터 얻어지는 써미타제 (thermitase) 의 x-선 구조도 또한 공지이다. 써미타제에 대한 BPN' 의 전체적인 상동성이 비록 I-S1 및 I-S2 서브틸리신에 대한 BPN' 의 상동성보다 훨씬 더 낮더라도 써미타제는 유사한 칼슘-A 부위를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 써미타제의 경우에, 루프는 나선 C 의 동일한 부위에서 10 개의 잔기로 이루어진 방해물이다.Also known are the x-ray structures of the first class of subtilases , namely thermases obtained from Thermoactinomyces vulgaris . Although the overall homology of BPN 'to the thermitase is much lower than the homology of BPN' to the I-S1 and I-S2 subtilisin, the thermase has been found to have similar calcium-A sites. . In the case of the thermitase, the loop is a block of 10 residues at the same site of helix C.

칼슘 결합 부위들은 세포외재성 미생물 프로테아제들의 공통적인 특징인데, 이것은 아마도 그것들이 열역학적 및 역학적 안정성에 크게 기여하기 때문일 것이다 [Matthews et al.,J. Biol. Chem., 249:8030-8044 (1974); Voordouw et al.,Biochemistry, 15:3716-3724 (1976); Betzel et al.,Protein Engineering, 3:161-172 (1990); Gros et al.,J. Biol. Chem., 266:2953-2961 (1991)]. 서브틸리신의 열역학적 및 역학적 안정성은 그 자체의 존재에 의해 프로테아제로 채워지는, 서브틸리신이 분비되는 곳인 세포외재성 환경의 어려움에 의해 필수적인 것이 되는 것으로 여겨진다. 따라서, 펼침에 대한 높은 활성화 장벽은 본래의 형태를 고정시키고 일시적인 펼침 및 단백질 가수분해를 방지하기 위해 필수적일 수 있다.Calcium binding sites are a common feature of extracellular microbial proteases, probably because they contribute significantly to thermodynamic and mechanical stability [Matthews et al., J. Biol. Chem. , 249: 8030-8044 (1974); Voordouw et al., Biochemistry , 15: 3716-3724 (1976); Betzel et al., Protein Engineering , 3: 161-172 (1990); Gros et al., J. Biol. Chem. , 266: 2953-2961 (1991). The thermodynamic and mechanical stability of subtilisin is believed to be essential by the difficulties of the extracellular environment in which subtilisin is secreted, which is filled with protease by its presence. Thus, a high activation barrier to unfolding may be necessary to fix the original form and to prevent transient unfolding and proteolysis.

불행하게도, 서브틸리신의 주요한 산업적 이용은 서브틸리신으로부터 칼슘을 빼앗고 그것의 안정성을 손상시키는 고농도의 금속 킬레이터를 포함하는 환경에서 이루어진다. 그러므로, 칼슘과 무관한 매우 안정한 서브틸리신을 생성하는 것이실제로는 매우 중요할 것이다.Unfortunately, the major industrial use of subtilisin is in environments containing high concentrations of metal chelators that deprive calcium from subtilisin and impair its stability. Therefore, it will actually be very important to produce very stable subtilisin independent of calcium.

본 발명자들은 이미 전에 열적 변성에 대하여 서브틸리신의 안정성을 증가시키기 위하여, 펼침 전이와 유사하게 만들기 위한 간단한 열역학적 모델을 세움으로써 여러 가지 스트래티지를 사용하였다 [Pantoliano et al.,Biochemstry, 26:2077-2082 (1987); Pantoliano et al.,Biochemstry, 27:8311-8317 (1988); Pantoliano et al., Biochemstry, 28:7205-7213 (1989); Rollence et al.,CRC Crit. Rev. Biotechnol., 8:217-224 (1988)]. 그러나, 산업적인 환경에서 안정한, 예컨대 금속 킬레이터들을 손상시키고 칼슘에 결합하지 않는 개량된 서브틸리신 돌연변이체들은 현제 활용할 수 없다.We have already used several strategies to build a simple thermodynamic model to make it similar to the spreading transition, in order to increase the stability of subtilisin against thermal denaturation [Pantoliano et al., Biochemstry , 26: 2077]. -2082 (1987); Pantoliano et al., Biochemstry , 27: 8311-8317 (1988); Pantoliano et al., B iochemstry , 28: 7205-7213 (1989); Rollence et al., CRC Crit. Rev. Biotechnol. , 8: 217-224 (1988). However, improved subtilisin mutants that are stable in an industrial environment, such as damaging metal chelators and not binding to calcium, are not currently available.

(발명의 목적 및 요약)(Object and Summary of the Invention)

따라서, 본 발명의 목적은 칼슘 결합을 제거하기 위하여 변형된 돌연변이된 또는 변형된 서브틸리신 효소들, 예컨대 제 I 부류의 서브틸라제들을 제공하는 것이다. 본 발명에서 사용되는 용어인 "돌연변이된 또는 변형된 서브틸리신" 은 칼슘 결합을 제거하기 위하여 변형되어 있는 모든 세린 프로테아제 효소들을 포함하는 것을 의미한다. 이것은 특히 서브틸리신 BPN' 과 서브틸리신 BPN' 에 상동성을 나타내는 세린 프로테아제, 특히 제 I 부류의 서브틸라제를 포함한다. 그러나, 본원에서 사용되는 바와 같이, 및 돌연변이된 또는 변형된 서브틸리신 효소에 대한 정의하에서, 본 발명의 돌연변이는 서브틸리신 BPN', 서브틸리신 칼스베르그, 서브틸리신 DY, 서브틸리신 아밀로사카리티쿠스, 메센티코펩티다제, 써미타제, 또는 사비나제에 대해 상기에서 언급된 서열과 최소한 50 %, 및 바람직하게는 80 % 의 아미노산 서열 동일성을 가지고 있어서 상동한 것으로 간주될 수 있는 모든 세린 프로테아제에 도입될 수 있다.It is therefore an object of the present invention to provide modified mutated or modified subtilisin enzymes, such as the subclass I class, to remove calcium binding. As used herein, the term “mutated or modified subtilisin” is meant to include all serine protease enzymes that have been modified to remove calcium bonds. This includes in particular serine proteases which show homology to subtilisin BPN 'and subtilisin BPN', in particular the subclass I class. However, as used herein, and under the definition of mutated or modified subtilisin enzymes, the mutations of the invention are subtilisin BPN ', subtilisin Carlsberg, subtilisin DY, subtilisin amyl It may be considered homologous because it has at least 50%, and preferably 80%, amino acid sequence identity with the above-mentioned sequence for rosakariticus, mesentiopeptidase, thermitase, or savinase Can be incorporated into any serine protease.

본 발명의 돌연변이된 효소들은 금속 킬레이터의 존재시에도 보다 안정하며 또한 천연 또는 야생형 서브틸리신과 비교하여 증가된 열 안정성을 포함할 수 있다. 열 안정성은 단백질의 전체적인 ROBUSTNESS 에 대한 좋은 표시자이다. 높은 열 안정성을 가지고 있는 단백질들은 때로 (0), 계면활성제의 존재시에, 및 정상적으로는 단백질을 비활성화시키는 다른 조건하에서도 안정하다. 그러므로 열적으로 안정한 단백질들은 고온, 엄격한 용매 조건 또는 연장된 반감기에 대한 내성이 요구되는 많은 산업적 및 치료적 적용에 유용할 것으로 기대된다.Mutated enzymes of the invention are more stable in the presence of metal chelators and may also include increased thermal stability compared to natural or wild type subtilisin. Thermal stability is a good indicator of the overall ROBUSTNESS of the protein. Proteins with high thermal stability are sometimes stable (0), in the presence of a surfactant, and under other conditions that normally deactivate the protein. Therefore, thermally stable proteins are expected to be useful in many industrial and therapeutic applications where resistance to high temperatures, stringent solvent conditions, or extended half-life is required.

나아가 서브틸리신의 개별적인 안정화 돌연변이들의 조합이 자주 안정화의 자유 에너지의 거의 누적된 증가를 초래하는 것으로 발견되었다. 열역하학적 안정성 또한 고온 및 고 pH 에서의 비가역적인 비활성화에 대한 내성에 관련된 것으로 나타났다. 본 발명의 단일 부위 변화는 개별적으로는 접힘의 자유 에너지에 대한 기여도에서 1.5 Kcal/몰 이상을 초과하지 못한다. 그러나, 안정화의 자유 에너지의 이런 작은 증량성 증가는 돌연변이가 조합될 때 전체적인 안정성에 극적인 증가를 가져오는데, 왜냐하면 대부분의 단백질의 경우 접힘의 총 자유 에너지가 5 내지 15 Kcal/몰의 범위내에 있기 때문이다 [Creighton,Proteins: Structure and Molecular Properties, W. H. Freeman and Company, New York (1984)].Furthermore, a combination of individual stabilizing mutations of subtilisin was found to frequently result in a near cumulative increase in the free energy of stabilization. Thermodynamic stability has also been shown to be related to resistance to irreversible deactivation at high temperatures and high pH. Single site changes of the present invention do not individually exceed 1.5 Kcal / mol in contribution to the free energy of folding. However, this small increase in free energy of stabilization results in a dramatic increase in overall stability when the mutations are combined, because for most proteins the total free energy of folding is in the range of 5 to 15 Kcal / mol. Creighton, Proteins: Structure and Molecular Properties , WH Freeman and Company, New York (1984).

여러 가지 조합 돌연변이체의 X-선 결정학 분석 결과, 각각의 돌연변이와 결합된 형태학적 변화가 골격 구조의 최소한의 왜곡을 나타내면서 매우 국소화되는경항이 있는 것으로 나타났다. 그로써, 매우 큰 안정성의 증가가 단백질의 삼차 구조의 방사상의 변화 없이 및 단지 극소량의 독립적인 아미노산 서열의 변경만으로도 이루어질 수 있다. 본 발명전에 제시된 바와 같이 [Holmes et al.,J. Mol. Biol., 160:623 (1982)], 안정화의 자유 에너지에 대한 기여는 접힘 형태의 개선된 수소 결합 및 소수성 상호작용과 펼쳐진 효소의 감소된 사슬 엔트로피를 포함하여 여러 가지 방법으로 얻어질 수 있다. 이런 사실은 열안정성 효소가 일반적으로 더 넓은 온도 범위에서 더 연장된 반감기를 가짐으로써 생물학적 반응기로서 및 저장 수명 성능이 개선되기 때문에 중요하다.X-ray crystallographic analysis of various combination mutants revealed that the morphological changes associated with each mutation were highly localized with minimal distortion of the skeletal structure. As such, a very large increase in stability can be achieved without a radial change in the tertiary structure of the protein and only by a minor change of the independent amino acid sequence. As set forth prior to the present invention, Holmes et al., J. Mol. Biol. 160: 623 (1982)], the contribution to the free energy of stabilization can be obtained in several ways, including improved hydrogen bonding and hydrophobic interactions in the folded form and reduced chain entropy of the unfolded enzyme. This is important because thermostable enzymes generally have extended half-lives over a wider temperature range, thereby improving performance as a biological reactor and shelf life.

상기에서 언급된 바와 같이, 본 발명은 칼슘 결합의 제거를 제공하는 하나 이상의 결실, 치환 또는 첨가 돌연변이를 포함하는 서브틸리신 돌연변이체들을 제공한다. 바람직하게도, 이것은 제 I 부류의 서브틸라제의 경우 나선 C 에 9 개의 아미노산 잔기를 포함하는, 결실, 치환 또는 칼슘 A-부위로의 삽입에 의해 이루어질 것이다. 서브틸리신 BPN' 의 경우 서브틸리신 돌연변이체들은 아마도 서열 ID NO:1 의 위치 75 내지 83 에서 아미노산의 하나 또는 그 이상의 첨가, 결실 또는 치환 돌연변이를 포함할 것이며, 가장 바람직하게는 아미노산 75 내지 83 의 결실을 포함할 것이다. 아미노산 75 내지 83 의 결실은 결과적으로 생성되는 서브틸리신 돌연변이체에 대한 칼슘 결합을 효과적으로 제거하는 한편, 여전히 효소적 활성을 가지고 있는 서브틸리신 BPN' 을 제공하는 것으로 발견되었다.As mentioned above, the present invention provides subtilisin mutants comprising one or more deletion, substitution or addition mutations that provide for removal of calcium binding. Preferably, this will be by deletion, substitution or insertion into the calcium A-site, which in the case of subclass I of class I comprises 9 amino acid residues in helix C. For subtilisin BPN 'the subtilisin mutants will probably comprise one or more addition, deletion or substitution mutations of amino acids at positions 75 to 83 of sequence ID NO: 1, most preferably amino acids 75 to 83 Will include fruitfulness. Deletion of amino acids 75-83 was found to effectively eliminate calcium binding to the resulting subtilisin mutant, while still providing subtilisin BPN 'which still has enzymatic activity.

서열 ID NO:1 의 아미노산 75 내지 83 이 없는 그러한 서브틸리신 돌연변이체들은 나아가 서열내에 하나 또는 그 이상의 아미노산 첨가 돌연변이, 예컨대 감소된 단백질 가수분해를 제공하는 돌연변이를 포함할 수 있다. 그러므로 칼슘 결합 활성이 없고 나아가 접힘 반응에 대한 협동성을 복귀시키도록 돌연변이됨으로써 단백질 가수분해에 대한 안정성을 증가시키는 서브틸리신 돌연변이체를 생성하는 것이 본 발명의 다른 목적이다. 본 발명의 다른 목적은 칼슘에 결합하지 않으며, 실질적으로 증가된 열 안정성을 제공하는 돌연변이들의 특이한 조합을 포함하는 열안정성 서브틸리신 돌연변이체들을 제공하는 것이다.Such subtilisin mutants without amino acids 75 to 83 of SEQ ID NO: 1 may further comprise one or more amino acid addition mutations in the sequence, such as a mutation that provides reduced proteolysis. It is therefore another object of the present invention to produce subtilisin mutants which have no calcium binding activity and further mutated to return the cooperation to the folding reaction, thereby increasing the stability to proteolysis. Another object of the present invention is to provide thermostable subtilisin mutants that contain a specific combination of mutations that do not bind calcium and provide substantially increased thermal stability.

특히 본 발명의 서브틸리신 돌연변이체들로는 바실루스 스트레인으로부터의 서브틸리신, 예를 들면 서브틸리신 BPN', 서브틸리신 칼스베르그, 서브틸리신 DY, 서브틸리신 아밀로사카리티쿠스 및 서브틸리신 메센티코펩티다제가 있으며, 이것들은 하나 또는 그 이상의 결실, 치환 또는 첨가 돌연변이를 포함한다.In particular, the subtilisin mutants of the present invention include subtilisin from the Bacillus strains, such as subtilisin BPN ', subtilisin Carlsberg, subtilisin DY, subtilisin amylosarkariticus and subtilisin There are mesentopeptidase and these include one or more deletion, substitution or addition mutations.

본 발명은 나아가 서열 ID NO:1 의 아미노산 75-83 이 없는 서브틸리신 돌연변이체를 제공하며, 이것은 결실 주변에 인공적으로 새로운 단백질-단백질 상호작용을 가짐으로써 안정성이 크게 개선되는 결과를 가져온다. 보다 구체적으로, 서브틸리신 BPN' 및 그것의 유사체에서 10 개의 특이한 부위에서 돌연변이가 제공되며, 그 중 7 개가 개별적으로, 및 조합하여 서브틸리신 단백질의 안정성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 그러므로 개량된 칼슘-비결합(calcium-free) 서브틸리신이 본 발명에 의해 제공된다.The present invention further provides a subtilisin mutant free of amino acids 75-83 of SEQ ID NO: 1, which results in greatly improved stability by having artificially new protein-protein interactions around the deletion. More specifically, mutations are provided at 10 specific sites in subtilisin BPN 'and analogs thereof, of which 7 have been found to increase the stability of subtilisin proteins individually and in combination. Thus, improved calcium-free subtilisin is provided by the present invention.

(발명의 일반적인 목적)(General purpose of the invention)

본 발명의 일반적인 목적은 칼슘에 결합하지 못하도록 돌연변이되어 있는 서브틸리신 돌연변이체들을 제공하는 것이다.It is a general object of the present invention to provide subtilisin mutants that are mutated to prevent binding to calcium.

본 발명의 다른 목적은 발현시 칼슘에 결합하지 않는 서브틸리신 돌연변이체들을 제공하는 DNA 서열을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a DNA sequence that provides subtilisin mutants that do not bind calcium upon expression.

본 발명의 또 다른 목적은 증가된 열 안정성을 제공하는 돌연변이의 특정 조합을 포함하는 서브틸리신 돌연변이체들을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide subtilisin mutants comprising certain combinations of mutations that provide increased thermal stability.

본 발명의 또 다른 목적은 하나 또는 그 이상의 치환, 결실 또는 첨가를 포함하는 서브틸리신 DNA 의 적절한 재조합 숙주 세포 내에서의 발현에 의해, 칼슘에 결합하지 않는 서브틸리신 돌연변이체를 합성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for synthesizing a subtilisin mutant that does not bind calcium by expression in an appropriate recombinant host cell of the subtilisin DNA comprising one or more substitutions, deletions or additions. To provide.

본 발명의 보다 구체적인 목적은 제 I 부류 서브틸라제 돌연변이체, 특히 칼슘에 결합하지 못하도록 돌연변이되어 있는 BPN' 돌연변이체를 제공하는 것이다.A more specific object of the present invention is to provide a class I subtilase mutant, in particular a BPN 'mutant which is mutated to prevent calcium binding.

본 발명의 다른 구체적인 목적은 발현시 제 I 부류 서브틸라제 돌연변이체, 및 특히 칼슘에 결합하지 않는 BPN' 돌연변이체를 유도하는 DNA 서열을 제공하는 것이다.Another specific object of the present invention is to provide a DNA sequence which induces a class I subtilase mutant and, in particular, a BPN 'mutant that does not bind calcium.

본 발명의 또 다른 구체적인 목적은 적절한 재조합 숙주 세포내에서 서브틸리신 I-S1 또는 I-S2 돌연변이체, 및 특히 제 I 부류의 서브틸라제 돌연변이 DNA 서열, 및 보다 구체적으로는 하나 또는 그 이상의 치환, 첨가 또는 결실 돌연변이를 포함하는 BPN' DNA 코딩 서열의 발현에 의하여 칼슘에 결합하지 않는 BPN' 돌연변이체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another specific object of the present invention is to provide subtilisin I-S1 or I-S2 mutants, and in particular class I subtilase mutant DNA sequences, and more specifically one or more substitutions, in appropriate recombinant host cells. It is to provide a method for producing a BPN 'mutant that does not bind to calcium by expression of a BPN' DNA coding sequence, including an addition or deletion mutation.

본 발명의 또 다른 구체적인 목적은 돌연변이 서브틸리신I-S1또는I-S2, 및 보다 구체적으로는 칼슘에 결합하지 않고 또한 증가된 열 안정성을 제공하거나 또는 접힘 반응에 협동성을 회복시키는 돌연변이들의 특별한 조합을 포함하는 BPN' 돌연변이체를 제공하는 것이다.Another specific object of the present invention is a special combination of mutant subtilisin I-S1 or I-S2 , and more specifically mutations that do not bind calcium but also provide increased thermal stability or restore cooperativeness to the folding reaction. It is to provide a BPN 'mutant comprising.

본 발명의 서브틸리신 돌연변이체들은 현재 서브틸리신이 사용되는 적용분야에서 활용될 수 있도록 의도된 것이다. 이들 돌연변이체들이 칼슘에 결합하지 않는다면 그것들은 특히 실질적으로 야생형 칼슘 결합 서브틸리신의 활성을 감소시키는 킬레이트제, 예를 들면 계면활성제 조성물을 포함한 산업적 환경에 사용되기에 상당히 적절하여야 한다.The subtilisin mutants of the present invention are intended to be utilized in applications where subtilisin is currently used. If these mutants do not bind to calcium they should be quite suitable for use in an industrial environment, especially including chelating agents, for example surfactant compositions, which substantially reduce the activity of wild type calcium binding subtilisin.

도 1은 S15 서브틸리신의 X-선 결정 구조.1 is an X-ray crystal structure of S15 subtilisin.

A. α-탄소 플롯이 주지된 바와 같은 돌연변이들의 위치를 나타낸다. 야생형 서브틸리신의 넘버링이 유지된다. 점으로 표시된 구형은 약한 이온 결합 부위 (B-부위) 에서의 칼슘의 위치 및 고 친화성 결합 부위 (A-부위) 의 이전 위치를 나타낸다. 이 돌연변이체에서 A-부위 루프 (단속선) 는 없다. N- 및 C- 말단도 표시된다. N-말단은 무질서하다 (점선).A. The α-carbon plot shows the location of the mutations as is well known. The numbering of wild type subtilisin is maintained. The spherical spheres with dots indicate the position of calcium at the weak ionic binding site (B-site) and the previous position of the high affinity binding site (A-site). There is no A-site loop (crash) in this mutant. N- and C- termini are also indicated. N-terminal is disordered (dotted line).

B. A-부위 결실의 확대도. S12 서브틸리신으로부터의 루프가 s15 의 연속나선과 함께 점선으로 표시된다. 이중으로 표시된 곳은 결실된 A-루프를 나타내는 3*시그마 차등 전자 밀도 (FO12-FO15, S15 로부터의 상) 이다.B. Magnified view of A-site deletion. The loop from the S12 subtilisin is indicated by the dotted line with the continuous helix of s15. Shown in duplicate is the 3 * sigma differential electron density (phase from FO12-FO15, S15) representing the deleted A-loop.

도 2는 S12 서브틸리신의 칼슘 A-부위 영역의 X-선 결정 구조. 칼슘은 반 데르 발스 반경의 절반을 가진 점으로 표시된 구형으로서 도시된다. 단속선은 배위 결합을 나타내며, 점선은 3.2 Å 이하의 수소 결합을 나타낸다.2 is an X-ray crystal structure of the calcium A-site region of S12 subtilisin. Calcium is shown as a sphere, represented by a point with half the van der Waals radius. Intermittent lines represent coordination bonds and dotted lines represent hydrogen bonds of 3.2 kPa or less.

도 3은 차등 스캐닝 열량측정 아포-S12 (Tm = 63.5 ℃) 및 S15 (Tm = 63.0 ℃) 의 비색 분석 스캔이 도시된다. 측정은 문헌에서 설명되는 바와 같이 하트 (Hart) 7707 DSC (차등 스캐닝 열량측정) 열 전도 스캐닝 마이크로비색계를 사용하여 수행되었다 [Pantoliano et al.,Biochemstry, 28:7205-7213 (1989)]. 샘플 조건은 50 mM 의 글리신, pH 9.63, 스캔 속도 0.5 ℃/분 이었다. 과잉의 열 용량은 μJ/°로 측정된다. 비색계 앰퓰에는 1. 78 mg 의 단백질이 함유된다.3 shows the colorimetric analysis scans of differential scanning calorimetry Apo-S12 (Tm = 63.5 ° C.) and S15 (Tm = 63.0 ° C.). Measurements were performed using a Hart 7707 DSC (Differential Scanning Calorimetry) thermally conductive scanning microcolorimeter (Pantoliano et al., Biochemstry , 28: 7205-7213 (1989)). Sample conditions were 50 mM glycine, pH 9.63, scan rate 0.5 ° C./min. Excess heat capacity is measured in μJ / °. Colorimetric ampoules contain 1.78 mg of protein.

도 4는 서브틸리신 S11 의 적정 비색 분석. 칼슘의 연속적인 첨가에 대한 칼슘 결합의 열은 [Ca]/[P] 의 대 비율로 표시된다. 주어진 데이터는 하기 설명의 방정식 (1) 을 사용하여 11.3 kcal/mol 과 동일한 △H 와 7 × 106의 결합 상수를 가정하여 계산된 결합 곡선과 가장 잘 일치한다. 이 적정에서, [P] = 100 μM 이었고, 온도는 25 ℃ 였다.4 is a colorimetric analysis of subtilisin S11. The heat of calcium binding to the continuous addition of calcium is expressed as the ratio of [Ca] / [P]. The data given best match the binding curve calculated using the equation (1) in the description below, assuming a coupling constant of ΔH and 7 × 10 6 equal to 11.3 kcal / mol. In this titration, [P] = 100 μΜ and the temperature was 25 ° C.

도 5는 온도 함수로서의 서브틸리신 S11 로부터의 칼슘 분해의 역학. 1μM 의 서브틸리신 S11 을 시간이 0 일 때 10 μM 의 퀸(Quin)2 에 첨가하였다. 칼슘은 서브틸리신으로부터 분해되어 새로운 평형이 이루어질때까지 퀸2에 결합한다. 칼슘 분해 속도는 퀸2가 칼슘에 결합할 때 퀸2의 형광의 증가로 추적한다.5 shows the kinetics of calcium breakdown from subtilisin S11 as a function of temperature. 1 μM subtilisin S11 was added to 10 μM Quin2 at time zero. Calcium breaks down from subtilisin and binds to Quin 2 until a new equilibrium is achieved. Calcium degradation rate is followed by an increase in fluorescence of Quin 2 when Quin 2 binds to calcium.

A. 칼슘에 결합된 단백질의 % 의 로그가 시간 대 그래프로 표시된다. 4 가지 온도에서의 분해 역학이 도시된다. 분해는 반응의 처음 25 % 에 대해서는 일차 역학을 따른다. 이것은 평형에 도달하기 전까지 그러하기 때문에 칼슘의 재결합은 무시될 수 있다.A. The log of% of protein bound to calcium is plotted against time. Decomposition kinetics at four temperatures is shown. Decomposition follows the primary kinetics for the first 25% of the reaction. This is so until equilibrium is reached, so calcium recombination can be ignored.

B. 25 내지 45 ℃ 범위의 온도에서 과잉의 퀸2, pH 7.4 의 존재시에 S15 로부터 칼슘이 분해되는 속도의 온도 의존성. 전이 상태에 대한 평형 상수의 자연 로그 (에이링 방정식으로부터 계산됨) 대 절대 온도의 그래프가 도시된다. 선은 하기 설명에서의 식 (3) TO= 298 K 에 따라 들어맞는다.B. Temperature dependence of the rate at which calcium decomposes from S15 in the presence of excess Quin 2, pH 7.4 at temperatures ranging from 25 to 45 ° C. A graph of the natural logarithm of the equilibrium constant for the transition state (calculated from the aering equation) versus the absolute temperature is shown. The line fits according to equation (3) T 0 = 298 K in the description below.

도 6은 원형 이색성 (CD) 에 의해 모니터되는 서브틸리신 재접힘의 분석.6 Analysis of subtilisin refolding monitored by circular dichroism (CD).

A. CD 스펙트럼은 다음과 같은 S15 에 대하여 도시된다: (1) pH 1.85 의 25 mM 의 H3PO4중의 S15; (2) pH 1.85 에서 변성된 후 NaOH 를 첨가함에 의해 pH 7.5 로 중성화된 S15; (3) pH 1.85 에서 변성된 후 30 분 후에 0.6 M 로 KCl 을 첨가하여 pH 7.5 로 중성화된 S15; 및 (4) 천연 S15 서브틸리신. 모든 샘플중의 단백질 농도는 1 μM 이었다.A. The CD spectrum is shown for S15 as follows: (1) S15 in 25 mM H 3 PO 4 at pH 1.85; (2) S15 neutralized at pH 1.85 and then neutralized to pH 7.5 by adding NaOH; (3) S15 neutralized to pH 7.5 by addition of KCl to 0.6 M after 30 minutes of denaturation at pH 1.85; And (4) natural S15 subtilisin. The protein concentration in all samples was 1 μM.

B. S15 재접힘의 역학. 샘플을 pH 1.85 에서 변성시킨 후 pH 를 7.5 로 조정하였다. 시간이 0 일 때 KCl 을 변성된 단백질에 첨가하였다. 고유 구조의 회복은 0.3 및 0.6 M 의 KCl 농도에서 222 nm 에서 이루어졌다. 재접힘후 30 분 후의 0.6 M 샘플을 상기 A 의 상응하는 스펙트럼을 기록하기 위하여 사용하였다.B. Mechanics of S15 refolding. The sample was denatured at pH 1.85 and then the pH was adjusted to 7.5. At time zero KCl was added to the denatured protein. Recovery of the intrinsic structure occurred at 222 nm at KCl concentrations of 0.3 and 0.6 M. A 0.6 M sample 30 minutes after refolding was used to record the corresponding spectrum of A above.

도 7은 이온 강도의 함수로서의 S15 의 재접힘의 역학.7 shows the kinetics of refolding of S15 as a function of ionic strength.

A. 접혀지지 않은 단백질의 % 의 로그가 시간대 그래프로 도시된다. 재접힘의 역학은 4 가지의 이온 강도에서 도시된다. 재접힘의 양은 222 nm 에서 네가티브 타원율의 증가로부터 원형 이색성 (CD) 에 의해 측정되었다. 100 % 접힘은 동일 농도에서의 천연 S15 에 대한 222 nm 에서의 신호로부터 측정되고, 0 % 접힘은 산-변성된 S15 에 대한 신호로부터 측정된다. 재접힘은 대략 반응의 처음 90 % 에 대한 일차 역학을 따른다. 재접힘은 25 ℃ 에서 수행되었다.A. The log of% of unfolded protein is shown in a time zone graph. The mechanics of refolding are shown at four ionic strengths. The amount of refolding was measured by circular dichroism (CD) from an increase in negative ellipticity at 222 nm. 100% fold is determined from the signal at 222 nm for native S15 at the same concentration and 0% fold is measured from the signal for acid-modified S15. Refolding approximately follows the primary dynamics for the first 90% of the response. Refolding was performed at 25 ° C.

B. 25 ℃ 에서 CD 또는 형광 측정에 의해 얻어진 재접힘에 대한 일차 속도 상수의 로그가 이온 강도의 로그의 함수로서 도표화되었다. 이온 강도는 I 는 약 0.25 내지 I = 1.5 까지 다양하였다. 재접힘 속도는 로그 I 로 선형으로 증가한다. I 의 10 배 증가는 재접힘 속도의 대략 90 배의 증가를 초래한다.B. The logarithm of the first order rate constant for refolding obtained by CD or fluorescence measurement at 25 ° C. is plotted as a function of the logarithm of ionic strength. Ionic strength varied from I to about 0.25 to I = 1.5. The refold speed increases linearly with log I. A 10-fold increase in I results in an approximately 90-fold increase in refold speed.

도 8은 0.6 M KCl, 23 nM KPO4pH 7.3 중에서의 S15 서브틸리신의 재접힘 속도의 온도 의존성. 전이 상태에 대한 평형의 자연 로그 (에이링 방정식으로보터 계산됨) 는 절대 온도의 역수 대 그래프로 도시된다. 선은 하기 설명의 방정식 (3) TO= 298 K 에 잘 맞는다.FIG. 8 is the temperature dependence of the refold rate of S15 subtilisin in 0.6 M KCl, 23 nM KPO 4 pH 7.3. The natural logarithm of the equilibrium for the transition state (calculated from the aering equation) is shown as the inverse of the absolute temperature versus the graph. The line fits well with the equation (3) T O = 298 K in the description below.

도 9는 S15 서브틸리신의 약한 이온 결합의 X-선 결정 구조. 배위 결합은 점선으로 도시된다. 하전된 아미노산의 우세함을 주지한다.9 is an X-ray crystal structure of weak ionic bond of S15 subtilisin. Coordination bonds are shown in dashed lines. Note the preponderance of charged amino acids.

(바람직한 구체예의 설명)(Explanation of preferred embodiment)

상기에서 논의된 바와 같이, 칼슘 결합은 실질적으로 세포외재성 미생물 프로테아제의 열역학적 및 역학적 안정성에 기여한다. 더욱이, 서브틸리신에 관하여는, 풀림에 대한 높은 활성화 장벽이 고유 형태를 보존하고 일시적인 풀림 및 서브틸리신이 분비되는 장소인 프로테아제로 채워진 환경이 주어지고 그 결과로서 자가 분해가 일어나는 경우 단백질 가수분해를 예방하기 위하여 필수적일 수 있다. 서브틸리신의 풀림 반응은 다음과 같이 2 부분으로 나누어질 수 있다:As discussed above, calcium binding contributes substantially to the thermodynamic and mechanical stability of extracellular microbial proteases. Moreover, with regard to subtilisin, a high activation barrier to annealing is given a protease-filled environment, which preserves its native form and is the place where transient annealing and subtilisin are secreted, and consequently proteolysis when autolysis occurs. It may be necessary to prevent. The release reaction of subtilisin can be divided into two parts as follows:

N(Ca) ⇔ N ⇔ UN (Ca) ⇔ N ⇔ U

상기식에서, N(Ca) 는 칼슘이 고친화성 칼슘-결합 부위 A 에 결합되어 있는 서브틸리신의 고유 형태이다 [Finzel et al.,J. Cell. Biochem. Suppl., 10A:272 (1986); Pantoliano et al.,Biochemistry, 27:8311-8317 (1988); McPhalen et al.,Biochemistry, 27:6582-6598 (1988)]; N 은 결합된 칼슘이 없는 접힌 단백질이다; U 는 풀린 단백질이다. 서브틸리신은 그것의 안정성이 대부분 고친화성 칼슘 부위에 의해 중재되는 상대적으로 안정한 단백질이다 [Voordouw et al.,Biochemistry, 15:3716-3824 (1976); Pantoliano et al.,Biochemistry, 27:8311-8317 (1988)]. pH 8.0 에서 서브틸리신의 융점 온도는 마이크로몰 농도의 칼슘의 존재하에서는 대략 75 ℃ 이고, 과잉의 EDTA 의 존재하에서는 대략 56 ℃ 이다 [Takehashi et al.,Biochemistry, 20:6185-6190 (1981); Bryan et al.,Prac. Natl. Acad. Sci. USA, 83:3743-3745 (1986b)]. 서브틸리신의 칼슘-비결합 (아포효소, 즉 효소의 단백질 부분) 형태에 대한 앞선 비색 분석 연구는 그것이 25 ℃ 에서의 경계 안정성이고 그 때에 풀림의 △G 는 5 kcal/mol 보다 작음을 나타냈다 [Pantoliano et al.,Biochemistry, 28:7205-7213 (1989)]. 칼슘이 서브틸리신 구조의 통합부분이기 때문에 아포효소는 서브틸리신의 접힌 상태의 중간체인 것으로 여겨진다.Where N (Ca) is the native form of subtilisin in which calcium is bound to the high affinity calcium-binding site A [Finzel et al., J. Cell. Biochem. Suppl. , 10A: 272 (1986); Pantoliano et al., Biochemistry , 27: 8311-8317 (1988); McPhalen et al., Biochemistry , 27: 6582-6598 (1988); N is a folded protein without bound calcium; U is an unwrapped protein. Subtilisin is a relatively stable protein whose stability is mostly mediated by high affinity calcium sites [Vororwöw et al., Biochemistry , 15: 3716-3824 (1976); Pantoliano et al., Biochemistry , 27: 8311-8317 (1988). The melting point temperature of subtilisin at pH 8.0 is approximately 75 ° C. in the presence of micromolar calcium and approximately 56 ° C. in the presence of excess EDTA [Takehashi et al., Biochemistry , 20: 6185-6190 (1981); Bryan et al., Prac. Natl. Acad. Sci. USA , 83: 3743-3745 (1986b). Previous colorimetric analysis of the calcium-non-binding (apoenzyme, or protein part of the enzyme) form of subtilisin indicated that it was boundary stability at 25 ° C. at which time ΔG of annealing was less than 5 kcal / mol [Pantoliano et al., Biochemistry , 28: 7205-7213 (1989). Since calcium is an integral part of the subtilisin structure, apoenzymes are believed to be intermediates in the folded state of subtilisin.

접힘 프로세스의 두가지 상을 독립적으로 조사하기 위하여, 본 발명자들은 일련의 돌연변이 서브틸리신을 구성하였다. 먼저, 풀림 및 재접힘 반응중에 발생하는 자가분해를 방지하기 위하여 모든 단백질 가수분해 활성을 조사하였다. 이것은 예를 들면 활성 부위 세린 (221) 을 시스테인으로 전환시킴으로써 이루어질 수 있다. [S221A 돌연변이체는 원래 이 목적으로 구성되었다. 이 돌연변이체의 성숙한 형태는 그것의 N- 말단상에서 이종성이지만, 이것은 아마도 프로-효소의 약간의 부정확한 프로세싱에 기인할 것이다.] 이 돌연변이는 서브틸리신의 열 변성 온도에 거의 영향을 나타내지 않지만, 대략 3 × 104의 인자만큼 서브틸리신의 펩티다제 활성을 감소시킨다 [Abrahmsen et al.,Biochemistry, 30:4151-4159 (1991)]. 그러므로 이 돌연변이체는 단백질 가수분해를 복잡하게 하지 않으면서 연구될 서브틸리신의 접힘을 가능하게 한다. 본 발명에서는,아미노산 치환을 표시하기 위한 표기는 아미노산 서열에서 치환이 이루어질 곳을 나타내는 숫자뒤에, 및 거기에 삽입될 아미노산의 단일 문자뒤에 치환될 아미노산의 단일 문자 아미노산 코드를 사용한다. 예를 들면 S221C 는 세린 221 이 시스테인으로 치환되었음을 나타낸다. 이러한 단일 아미노산이 치환되어 있는 서브틸리신 돌연변이체들은 서브틸리신 S221C 로 표시된다. 그 결과의 S221C 서브틸리신 돌연변이체를 S1 으로 표시한다.In order to independently investigate the two phases of the folding process, we constructed a series of mutant subtilisins. First, all proteolytic activity was investigated to prevent autolysis occurring during unfolding and refolding reactions. This can be done, for example, by converting the active site serine 221 to cysteine. [S221A mutants were originally constructed for this purpose. The mature form of this mutant is heterologous on its N-terminus, but this is probably due to some inaccurate processing of the pro-enzyme. This mutation shows little effect on the heat denaturing temperature of subtilisin, but Reduce the peptidase activity of subtilisin by a factor of 3 × 10 4 (Abrahmsen et al., Biochemistry , 30: 4151-4159 (1991)). This mutant therefore enables the folding of the subtilisin to be studied without complicating proteolysis. In the present invention, the notation for indicating an amino acid substitution uses a single letter amino acid code of an amino acid to be substituted after a number indicating where the substitution is to be made in the amino acid sequence, and after a single letter of the amino acid to be inserted therein. For example, S221C indicates that serine 221 is substituted with cysteine. Subtilisin mutants in which such a single amino acid is substituted are represented by subtilisin S221C. The resulting S221C subtilisin mutant is represented by S1.

서브틸리신은 나아가 제조 및 정제를 보다 쉽게 하기 위하여 상대적으로 불안정한 아포효소를 만들기 위해 다시 돌연변이될 수 있다. 3 또는 4 개의 추가의 아미노산 돌연변이, 예를 들어 M50F, Q206I, Y217K 및 N218S 를 포함하는 S1 의 버전이 또한 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 그러한 추가의 돌연변이는 풀림의 자유 에너지를 3.0 kcal/mol 만큼 누적적으로 증가시키고, 아포효소의 열 변성 온도를 11.5 ℃ 만큼 증가시킨다 [Pantoliano et al.,Biochemistry, 28:7205-7213 (1989)]. M50F, Q206I, Y217K, N218S 및 S221C 를 함유하는 돌연변이체는 S11 로 표시되고, M50F, Y217K, N218S 및 S221C 를 함유하는 돌연변이체는 S12 로 표시된다. [합성 기질인 SAAPFna 에 대한 S11 및 S12 및 S15 의 특이한 활성은 동일하다 (S.A. 는 25 ℃, pH 8.0 에서 약 0.0024 U/mg 이다). 이러한 측정은 수은 친화성 칼럼상에서 새롭게 정제된 단백질에 대해 수행하였다.]Subtilisin may further be mutated to make relatively unstable apoenzymes to make preparation and purification easier. Versions of S1 comprising 3 or 4 additional amino acid mutations, for example M50F, Q206I, Y217K and N218S, can also be used in the methods of the invention. Such additional mutations cumulatively increase the free energy of annealing by 3.0 kcal / mol and increase the thermal denaturation temperature of the apoenzyme by 11.5 ° C. [Pantoliano et al., Biochemistry , 28: 7205-7213 (1989)]. . Mutants containing M50F, Q206I, Y217K, N218S and S221C are denoted S11, and mutants containing M50F, Y217K, N218S and S221C are denoted S12. [The specific activities of S11 and S12 and S15 on the synthetic substrate SAAPFna are identical (SA is about 0.0024 U / mg at 25 ° C., pH 8.0). This measurement was performed on freshly purified protein on mercury affinity column.]

칼슘 결합 활성이 결핍된 서브틸리신 BPN' 단백질을 제조하기 위하여, 본 발명자들은 신규한 칼슘-비결합 서브틸리신 단백질을 인공조작하기 위하여 칼슘 A-부위에 결합 루프를 결실시키는 것을 선택하였다. 이 루프는 서열 ID NO:1 [McPhalen and James, 1988] 의 아미노산 63-85 를 포함하는 서브틸리신 BPN' α-나선에 방해물을 포함한다. 서브틸리신 BPN' 단백질의 잔기 75-83 은 아미노산 63-85 [서열 ID NO:1] 를 포함하는 14 잔기의 알파 나선의 마지막 회전을 방해하는 루프를 형성한다. [ 9 개의 잔기로 이루어진 이 세트는 결과의 연속적인 나선에서 Gly 83 보다는 오히려 Ala 74 를 배제하는 74-82 (이 잔기들은 실제로 루프에 속한다) 와는 반대로 결실을 위해 선택되었다. 알라닌은 글리신의 보다 넓은 범위의 접근하기 쉬운 골격 형태 때문에 α-나선에 존재할 가능성이 통계학적으로 더 높다.] 칼슘에대한 카르보닐 산소 리간드 네 개는 아미노산 75-83 [서열 ID NO:1] 로 구성되는 루프에 의해 제공된다. 리간드의 기하학적 형태는 그것의 축이 아미노산 75 와 79 의 카르보닐을 통과하여 지나가는 5각형 2-피라미드이다. 루프의 한 쪽에는 이 모양의 돌기가 두 개 있는 모양의 카르복실레이트 (D41) 가 있고, 반대쪽에는 단백질의 N-말단과 Q2 의 측쇄가 있다. 7 개의 배위 거리는 2.3 내지 2.6 Å 의 범위이며, 가장 짧은 것은 아스파르틸 카르복실레이트에 속하는 것이다. 세 개의 수소 결합이 N-말단 절편을 루프 잔기 78-82 에 평행한 베타 배열로 연결시킨다. 고친화성 칼슘 결합 부위는 그것들의 높은 안정성에 크게 기여하게 만드는 서브틸리신들의 공통적인 특징이다. 서브틸리신 삼차 구조에 있는 특이한 부위에서 결합함에 의해, 칼슘은 그것의 결합 자유 에너지를 고유 상태의 안정성에 제공한다. 본 발명에서는, 부위-특정 돌연변이생성을 사용하여 서열 ID NO:1 의 아미노산 75-83 을 결실시켰으며, 그로써 방해받지 않는 나선이 생성되었고 부위 A 에서의 칼슘 결합 가능성이 없어진다 (도 1a 및 1b).In order to prepare a subtilisin BPN 'protein lacking calcium binding activity, the inventors chose to delete the binding loop at the calcium A-site to artificially manipulate the novel calcium-unbound subtilisin protein. This loop contains an obstruction to the subtilisin BPN 'α-helix comprising amino acids 63-85 of SEQ ID NO: 1 [McPhalen and James, 1988]. Residues 75-83 of the subtilisin BPN 'protein form a loop that prevents the last rotation of the alpha helix of 14 residues comprising amino acids 63-85 [SEQ ID NO: 1]. [This set of 9 residues was chosen for deletion as opposed to 74-82 (these residues actually belong to the loop) excluding Ala 74 rather than Gly 83 in the resulting successive helix. Alanine is statistically more likely to be present in the α-helix because of its broader, accessible framework of glycine.] The four carbonyl oxygen ligands for calcium are amino acids 75-83 [SEQ ID NO: 1]. Provided by a loop that is configured. The geometry of a ligand is a pentagonal 2-pyramid whose axis passes through the carbonyls of amino acids 75 and 79. On one side of the loop is a carboxylate (D41) with two projections of this shape, on the other side the N-terminus of the protein and the side chain of Q2. The seven coordination distances range from 2.3 to 2.6 mm 3, with the shortest belonging to aspartyl carboxylate. Three hydrogen bonds connect the N-terminal fragments in a beta configuration parallel to the loop residues 78-82. High affinity calcium binding sites are a common feature of subtilisins that make a significant contribution to their high stability. By binding at specific sites in the subtilisin tertiary structure, calcium provides its binding free energy to the stability of the intrinsic state. In the present invention, site-specific mutagenesis was used to delete amino acids 75-83 of SEQ ID NO: 1, thereby creating an uninterrupted helix and eliminating the possibility of calcium binding at site A (FIGS. 1A and 1B). .

본 발명자들은 칼슘 결합에 관한 것을 기초로 한 안정화 스트래티지가 세포외재성 환경에서의 생존을 가능하게 할 수 있을 것이라고 믿었다. 서브틸리신의 주요 산업적 용도가 고농도의 금속 킬레이터를 함유하는 환경에 있기 때문에, 본 발명자들에게는 칼슘과 무관하고, 따라서 금속 킬레이트화제의 존재에 영향을 받지 않는 안정한 서브틸리신을 생성하는 것이 실제로 매우 중요하였다.The inventors believed that a stabilization strategy based on calcium binding could enable survival in an extracellular environment. Since the main industrial use of subtilisin is in an environment containing high concentrations of metal chelators, for the present inventors it is indeed very important to produce stable subtilisin, which is independent of calcium and thus unaffected by the presence of metal chelating agents. It was.

본 발명자들이 이들 아미노산을 제거함에 의해 칼슘 결합을 제거하는 것을 선택한 한편, 다른 돌연변이, 예를 들어 대체 아미노산으로 위치 75-83 에 있는 하나 또는 그 이상의 아미노산을 치환하기와 위치 75-83 에 근접한 아미노산의 삽입, 치환 및/또는 결실에 의하여서도 칼슘 결합을 제거하는 것이 가능하여야 한다. 이것은 또한 부위-측정 돌연변이 생성에 의해서 이루어질 수 있다.We chose to remove calcium bonds by removing these amino acids, while replacing one or more amino acids at positions 75-83 with other mutations, eg, replacement amino acids, It should be possible to remove calcium bonds even by insertion, substitution and / or deletion. This can also be done by site-directed mutagenesis.

따라서, 이 루프가 서브틸리신에 공통적인 것이기 때문에, 예컨대 부위-특이적 돌연변이 생성에 의한 것과 같은 다른 서브틸리신, 특히 부류 I 의 서브틸리신에 대한 동등한 돌연변이가 마찬가지로 칼슘 결합을 제거하고 효소적으로활성인 돌연변이체를 제공할 것이다.Thus, since this loop is common to subtilisin, equivalent mutations to other subtilisin, especially class I subtilisin, such as by site-specific mutagenesis, likewise remove calcium binding and are enzymatic Will provide an active mutant.

특별히, 본 발명자들은 부위-특이적 돌연변이 생성에 의하여 칼슘 결합에 포함된 아미노산 75-83 을 제거하기 위하여 돌연변이되어있고 나아가 추가의 치환 돌연변이를 포함하는 세 개의 서브틸리신 BPN' DNA 를 합성하였다. 이들 돌연변이된 서브틸리신 BPN' DNA 들은 DNA 의 발현시 열 안정성이 증가된 및/또는 단백질 가수분해에 내성인 서브틸리신 단백질을 제공한다.In particular, we synthesized three subtilisin BPN 'DNAs that were mutated to further remove amino acids 75-83 involved in calcium binding by site-specific mutagenesis and further comprising additional substitution mutations. These mutated subtilisin BPN 'DNAs provide subtilisin proteins that have increased thermal stability upon expression of DNA and / or are resistant to proteolysis.

본 발명자들에 의해 합성된 특이한 서브틸리신 BPN' 돌연변이체들은 본 출원에서 S15, S39, S46, S47, S68, S73, S79 및 S86 으로서 표시된다. 본 출원에서 설명되는 특이한 점 돌연변이는 서열 ID NO:1 로 설명되는 바와 같이, 서브틸리신 BPN' 아미노산 서열의 특정한 아미노산을 확인하여 주며, 본 발명에 따라 돌연변이된다. 예를 들면, S15 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실을 포함하며, 추가로 다음의 치환 돌연변이 : S221C, N218S, M50F 및 Y217K 를 포함한다. S39 돌연변이체도 유사하게 아미노산 75-83 의 결실을 포함하고 추가로 다음의 치환 돌연변이 : S221C, P5A, N218S, M50F 및 Y217K 를 포함한다. S46 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실을 포함하고 추가로 다음의 치환 돌연변이 : M50F, Y217K 및 N218S 를 포함한다. S47 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실을 포함하며, 추가로 다음의 치환 돌연변이 : P5A, N218S, M50F 및 Y217K 를 포함한다. S68 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실을 포함하며, 추가로 다음의 치환 돌연변이 : P5S, N218S, M50F 및 Y217K 를 포함한다. S73 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실뿐만 아니라 다음의 치환 돌연변이 : Q2K, M50F, A73L, Q206V, Y217K 및 N218S 를 포함한다. S79 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실을 포함하며, 추가로 다음의 치환 돌연변이 : Q2K, M50F, A73L, Q206C, Y217K 및 N218S 를 포함한다. 마지막으로, S86 돌연변이체는 아미노산 75-83 의 결실뿐만 아니라 다음의 치환 돌연변이 : Q2K, S3C, M50F, A73L, Q206C, Y217K 및 N218S 를 포함한다. 단백질 가수분해적으로 활성인 S46, S47, S68, S73, S79 및 S86 서브틸리신의 특이한 활성은 야생형 효소와 비교하여 유사하거나 증가되어 있는 것으로 밝혀졌다.Specific subtilisin BPN 'mutants synthesized by the inventors are denoted in this application as S15, S39, S46, S47, S68, S73, S79 and S86. Specific point mutations described herein identify specific amino acids of the subtilisin BPN 'amino acid sequence, as described by SEQ ID NO: 1, and are mutated in accordance with the present invention. For example, the S15 mutant comprises deletions of amino acids 75-83 and further includes the following substitution mutations: S221C, N218S, M50F and Y217K. S39 mutants similarly include deletions of amino acids 75-83 and further include the following substitution mutations: S221C, P5A, N218S, M50F and Y217K. S46 mutants include deletions of amino acids 75-83 and further include the following substitution mutations: M50F, Y217K and N218S. S47 mutants include deletions of amino acids 75-83 and further include the following substitution mutations: P5A, N218S, M50F and Y217K. S68 mutants include deletions of amino acids 75-83 and further include the following substitution mutations: P5S, N218S, M50F and Y217K. S73 mutants include deletions of amino acids 75-83 as well as the following substitution mutations: Q2K, M50F, A73L, Q206V, Y217K and N218S. S79 mutants include deletions of amino acids 75-83 and further include the following substitution mutations: Q2K, M50F, A73L, Q206C, Y217K and N218S. Finally, S86 mutants include deletions of amino acids 75-83 as well as the following substitution mutations: Q2K, S3C, M50F, A73L, Q206C, Y217K and N218S. The specific activity of proteolytically active S46, S47, S68, S73, S79 and S86 subtilisin was found to be similar or increased compared to wild type enzymes.

본 발명자들에 의해 합성된 다양한 △75-83 (아미노산 75-83 이 결실되어 있음을 의미) 서브틸리신이 하기 표 1 에 열거된다. 서브틸리신 BPN' 아미노산 서열의 아미노산 서열에 일어난 돌연변이의 특정한 점들이 서열 ID NO:1 에서 설명되는 바와 같이, 나타나 있다. 이들 돌연변이체의 합성은 아래에서 보다 상세하게 설명된다.Various Δ75-83 (meaning that the amino acids 75-83 are deleted) subtilisin synthesized by the inventors are listed in Table 1 below. Particular points of mutations that occurred in the amino acid sequence of the subtilisin BPN 'amino acid sequence are shown, as described in SEQ ID NO: 1. The synthesis of these mutants is described in more detail below.

서브틸리신 돌연변이Subtilisin mutation S221CS221C P5AP5A △75-83△ 75-83 N218SN218S M50FM50F Q206IQ206I Y217KY217K Q271EQ271E Q2KQ2K A73LA73L Q206VQ206V Q206CQ206C S3CS3C BPN'BPN ' -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- S1* S1 * ++ -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- S11* S11 * ++ -- -- ++ ++ ++ ++ -- -- -- -- -- -- S12* S12 * ++ -- -- ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S15* S15 * ++ -- ++ ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S39S39 ++ ++ ++ ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S46S46 -- -- ++ ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S47S47 -- ++ ++ ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S68S68 -- P5SP5S ++ ++ ++ -- ++ -- -- -- -- -- -- S73S73 -- -- ++ ++ ++ -- ++ ++ ++ ++ ++ -- -- S79S79 -- -- ++ ++ ++ -- ++ ++ ++ ++ -- ++ -- S86S86 -- -- ++ ++ ++ -- ++ ++ ++ ++ -- ++ ++

상기 표에서 플러스 사인은 서브틸리신이 특별한 돌연변이를 함유하고 있음을 나타낸다. 야생형, S12 및 S15 의 X-선 결정 구조는 1.8 Å 인 것으로 측정되었다.The plus sign in the table indicates that the subtilisin contains a special mutation. The X-ray crystal structure of wild type, S12 and S15 was determined to be 1.8 mm 3.

*S1, S11, S12, S15 및 S39 는 구조 및 형태 안정성의 평가를 돕기 위하여 구성된 느린 활성을 가지고 있는 돌연변이체들이다.* S1, S11, S12, S15 and S39 are slow activity mutants that are configured to help assess structural and morphological stability.

칼슘 결합이 서브틸리신의 안정성에 어떻게 기여하는 지를 이해하기 위하여, 고친화성 칼슘 A-부위에 대한 칼슘 결합의 열역학 및 역학이 마이크로열량계 및 형광 분광계에 의해 측정되었다. 칼슘 결합은 결합 상수 (Ka) 가 7×106M-1과 같은 엔탈피에 의해 구동되는 프로세스이다. A-부위로부터의 칼슘 제거에 대한 역학 장벽 (23 kcal/mol) 은 실질적으로 결합의 표준 자유 에너지 (9.3 kcal/mol) 보다 더 크다. 서브틸리신으로부터의 칼슘 분해 (예컨대 과잉의 EDTA 중에서) 의 역학은 따라서 매우 느리다. 예를 들면, 서브틸리신으로부터의 칼슘이 분해되는 반감기 (t1/2) , 예컨대 서브틸리신으로부터 칼슘의 반이 분해되는 시간은 25 ℃ 에서 1.3 시간이다.To understand how calcium binding contributes to the stability of subtilisin, the thermodynamics and dynamics of calcium binding to high affinity calcium A-sites were measured by microcalorimeters and fluorescence spectrometers. Calcium-binding is a process in which the binding constant (K a) driven by enthalpy, such as 7 × 10 6 M -1. The dynamic barrier (23 kcal / mol) for calcium removal from the A-site is substantially greater than the standard free energy of binding (9.3 kcal / mol). The kinetics of calcium breakdown from subtilisin (such as in excess EDTA) are therefore very slow. For example, the half-life (t 1/2 ) at which calcium from subtilisin is decomposed, such as half the time at half calcium of subtilisin, is 1.3 hours at 25 ° C.

X-선 결정학은 결실된 칼슘-결합 루프 영역을 제외하고는, 서브틸리신 돌연변이체 및 야생형의 구조가 매우 유사함을 나타낸다. 야생형 단백질의 N-말단은 부위 A 루프 옆에 놓이며, 하나의 칼슘 배위 리간드, 즉 Q2 의 측쇄 산소를 제공한다. △75-83 서브틸리신에서, 루프가 제거되면 잔기 1 내지 4 는 무질서해진다. 이들 처음 네 개의 잔기는 모든 그것의 상호작용이 칼슘 루프와 이루어지기 때문에 X-선 구조내에서 무질서하다. N-말단의 서열화는 처음 네 개의 아미노산이 존재하는 것을 확인해주며, 이것은 프로세싱이 정상 부위에서 일어난다는 것을 확증하는 것이다. 나선은 방해받지 않는 것으로 나타나며, 그것의 전 길이에 걸쳐 정상적인 나선 기하학을 보여준다. X-선 결정학은 또한 결실이 있을 때와 없을 때의 서브틸리신의 구조가 261 α-탄소 위치들 사이에서 0.17 Å 의 제곱 평균 (r.m.s.) 차이로 포개지는 것을 보여주며, 이것은 결실의 크기를 고려하면 현저하게 유사한 것이다. 그러나, 확산 차이 밀도 및 보다 높은 온도 인자는 결실부위에 인접하여 새롭게 노출된 잔기들이 약간 무질서함을 나타낸다.X-ray crystallography shows that the structures of the subtilisin mutant and wild type are very similar, except for the deleted calcium-binding loop region. The N-terminus of the wild-type protein lies next to the site A loop and provides one calcium coordination ligand, the side chain oxygen of Q2. In Δ75-83 subtilisin, residues 1 to 4 become disordered when the loop is removed. These first four residues are disordered within the X-ray structure because all of their interactions are with the calcium loop. N-terminal sequencing confirms that the first four amino acids are present, confirming that processing occurs at the normal site. The spiral appears to be unobstructed and shows normal spiral geometry over its entire length. X-ray crystallography also shows that the structure of subtilisin with and without deletions overlaps with a mean square difference (rms) of 0.17 Hz between 261 α-carbon positions, which, given the size of the deletions, Remarkably similar. However, the diffusion difference density and higher temperature factors indicate that the newly exposed residues adjacent to the deletion site are slightly disordered.

칼슘 결합의 제거가 그것으로 인해 금속 킬레이트화제의 존재시에도 보다 안정한 단백질이 생성되기 때문에 유익한 한편으로, 최소한 한 가지 측면에서는 불리하다. 구체적으로, 어떠한 다른 상쇄할 수 있는 돌연변이 없이 칼슘 루프를 제거하는 것은 부분적으로 접혀진 상태와 관련하여 본래 상태의 탈안정화를 유발하며,따라서 접힘의 형동성이 손실된다. 그러므로 본 발명자들은 접힘 반응에 협동성을 회복시키기 위하여 75 에서 83 의 아미노산이 결핍된 서브틸리신 S15 BPN' 단백질을 유전적으로 인공 조작하기 위해 노력하였다. 가장 잘 디자인된 단백질에서 분자의 모든 부분은 상호 의존적이며, 그로써 풀림 반응을 고도로 협동적으로 만든다. 접힘 반응의 협동성은 본래 형태의 전체적인 안정성이 대략 모든 국소적인 상호작용의 합과 같기 때문에, 적절한 목적에 대해 본래 상태의 충분한 안정성을 이루는 것을 가능하게 한다.While removal of calcium bonds is beneficial because it produces more stable proteins even in the presence of metal chelating agents, it is disadvantageous in at least one aspect. Specifically, removing the calcium loops without any other offsetting mutations causes destabilization of the original state with respect to the partially folded state, thus losing the morphology of the folding. We therefore sought to genetically engineer the subtilisin S15 BPN 'protein deficient in 75 to 83 amino acids to restore coordination to the folding reaction. In the best designed proteins, all parts of the molecule are interdependent, thereby making the annealing reaction highly cooperative. The coordination of the folding reaction makes it possible to achieve sufficient stability of the original state for the proper purpose, since the overall stability of the original form is approximately equal to the sum of all local interactions.

그러므로, △75-83 서브틸리신이 칼슘의 부재시에 활성이면서 안정한 공학적으로 처리된 서브틸리신의 실예이지만, 본 발명자들은 이 단백질을 추가의 돌연변이에 의하여 개선시키고자 하였다. 특별히 고도로 안정한 칼슘-비결합 서브틸리신의 디자인은 반복적인 공학처리 싸이클에 의존한다. 본 발명자들은 싸이클에서의 필수적인 첫 번째 단계가 서브틸리신의 단백질 가수분해 활성을 크게 감소시키는 것임을 발견하였다. 이것은 칼슘이 서브틸리신의 형태적 안정성에 크게 기여하고 칼슘-비결합 서브틸리신의 초기 전환이 단백질 가수분해에 민감하기 때문에 필수적이다. 단백질 가수분해에 대한 민감성을 감소시킨 후에, 싸이클의 다음 단계는 칼슘 결합에 필수적인 서열, 즉 A-서열을 제거하는 것이었다. 비록 S15 △75-83 서브틸리신이 칼슘의 존재시에 야생형 서브틸리신에 비하여 훨씬 덜 안정하긴 하지만, 이 돌연변이체는 금속 킬레이터인 EDTA 의 존재시에는 야생형 서브틸리신보다 더 안정하다.Therefore, while Δ75-83 subtilisin is an example of an active and stable engineered subtilisin that is active in the absence of calcium, we sought to improve this protein by further mutations. The design of especially highly stable calcium-unbound subtilisin relies on repeated engineering cycles. We have found that the essential first step in the cycle is to significantly reduce the proteolytic activity of subtilisin. This is essential because calcium contributes greatly to the morphological stability of subtilisin and the initial conversion of calcium-unbound subtilisin is sensitive to proteolytic degradation. After reducing the sensitivity to proteolysis, the next step in the cycle was to remove the sequences necessary for calcium binding, namely A-sequence. Although the S15 Δ75-83 subtilisin is much less stable than the wild type subtilisin in the presence of calcium, this mutant is more stable than the wild type subtilisin in the presence of the metal chelator EDTA.

따라서, 세 번째 단계는 칼슘-비결합 서브틸리신 단백질의 안정성을 향상시키는 것이었다. 칼슘-유리 서브틸리신의 안정성을 향상시키기 위하여, 본 발명자들은 다음에는 무질서한 N-말단 잔기들의 집합처 (home) 를 생성하기 위하여 노력하였다. 고도로 안정한 칼슘-비결합 서브틸리신을 생성하기 위하여, 칼슘 A-루프의 결실에 의하여 탈안정화된 단백질의 N-말단 부분은 변형될 수 있다. 예를 들어, 무질서한 N-말단은 결실되거나 또는 연장될 수 있다. 그러나, 이것은 성숙한 단백질로부터 프로펩티드를 프로세싱하는데 필요한 것들이 무엇인지 알려져 있지 않기 때문에 다소 문제가 있다. 그러므로, 돌연변이체 Y1A (프로펩티드의 C-말단), A1C 및 Q2R 이 절단 부위를 변경시키지 못하기 때문에 프로세싱 부위는 아미노산 서열에 의하여 측정되지 않는다고 알려져 있다. 또한 △75-83 변이체가 정확하게 프로세스되기 때문에 서브틸리신의 N-말단의 원래의 구조는 절단 부위를 측정하지 못하는 것으로 알려져 있다. 어떻게 프로세싱 자리를 변경시키는 지에 대해서는 아직 알려진 바가 없기 때문에, 기존의 N-말단과의 상호작용이 최적화될 수 있다.Thus, the third step was to improve the stability of the calcium-unbound subtilisin protein. In order to improve the stability of the calcium-free subtilisin, we then sought to create a home of disordered N-terminal residues. To produce highly stable calcium-unbound subtilisin, the N-terminal portion of the destabilized protein may be modified by deletion of the calcium A-loop. For example, the disordered N-terminus can be deleted or extended. However, this is somewhat problematic because it is not known what is needed to process propeptides from mature proteins. Therefore, it is known that processing sites are not determined by amino acid sequences because the mutants Y1A (C-terminus of the propeptide), A1C and Q2R do not alter the cleavage site. It is also known that the original structure of the N-terminus of subtilisin does not measure cleavage sites because the Δ75-83 variant is processed correctly. Since it is not yet known how to change the processing site, the interaction with the existing N-terminus can be optimized.

S15 서브틸리신의 구조에 대한 조사 결과 돌연변이 효소의 안정성을 향상시키기 위한 많은 가능성이 있는 것으로 나타났다. 결실에 의해 가장 많은 영향을 받는 영역들은 N-말단 아미노산 1-8, 36-45 ω-루프, 70-74 α-나선, 84-89 나선 회전 및 202-219 β-리본이다. 이미 앞에서 설명된 바와 같이, △75-83 서브틸리신에 있는 처음 네 개의 잔기들은 모든 그것의 상호작용이 칼슘 루프와 이루어지기 때문에 X-선 구조에서는 무질서하다. 그러나, N-말단 서열화는 처음 네 개의 아미노산이 존재하고, 이것은 프로세싱이 정상 부위에서 일어나는 것을 확증하는 것임을 보여준다. N-말단외에 그것의 측쇄 형태가 야생형과는 분명히 다른 세 개의 다른 잔기들이 있다. Y6 은 N-말단의 탈안정화의 간접적인 효과로서, 표면 적소로부터 용매가 보다 많이 노출된 위치로 방향을 바꾼다. 형성자 칼슘 리간드인 D41 과 Y214 는 배위 배열을 하게 되어 새로운 수소 결합을 형성한다. 세 개의 잔기는 모두 B-인자가 아미노산 75-83 의 결실로 인해 상당히 증가한다. 또한, S87 과 A88 은 형태를 바꾸지는 않지만 상당히 증가된 B-인자를 나타낸다. P86 은 그곳으로부터 칼슘 루프가 결실되는 α-나선을 종결시킨다. 상기의 관점에서, 하나 또는 그 이상의 상기 언급된 부위들에서의, 또는 그것에 인접한 아미노산에서의 다른 돌연변이들은 효소적 활성이 보다 더 크거나 또는 안정성이 증가된 서브틸리신 BPN' 을 제공할 것이다.Investigations into the structure of S15 subtilisin have shown a number of possibilities for improving the stability of mutant enzymes. The regions most affected by deletions are the N-terminal amino acids 1-8, 36-45 ω-loop, 70-74 α-helix, 84-89 helix rotation and 202-219 β-ribbon. As previously described, the first four residues in the Δ75-83 subtilisin are disordered in the X-ray structure since all of its interactions are with the calcium loop. However, N-terminal sequencing shows that the first four amino acids are present, which confirms that processing occurs at the normal site. Besides the N-terminus, there are three other residues whose side chain form is clearly different from the wild type. Y6 is an indirect effect of destabilization at the N-terminus and redirects from the surface location to the position where more solvent is exposed. The precursor calcium ligands, D41 and Y214, are in coordination order to form new hydrogen bonds. All three residues significantly increase in B-factor due to the deletion of amino acids 75-83. In addition, S87 and A88 do not change form but show significantly increased B-factors. P86 terminates the α-helices from which the calcium loop is deleted. In view of the above, other mutations in one or more of the above-mentioned sites, or in amino acids adjacent thereto will provide subtilisin BPN ′ with greater enzymatic activity or increased stability.

효소 활성이 더 크거나 또는 안정성이 증가된 서브틸리신 BPN' 돌연변이체들을 제조하기 위하여 단백질의 상기 영역을 재모델화하기 위한 논리적인 스트래티지가 여러개 있다. N-말단의 4 개의 아미노산이 X-선 구조에서는 무질서하기 때문에, 한 가지의 가능한 접근법은 단백질로부터 그것들을 결실시키는 것일 것이다. 그러나, 성숙한 단백질로부터 프로펩티드를 프로세싱하기 위한 필요조건은 현재 알려져 있지 않다. 삽입 또는 N-말단 영역으로부터의 아미노산의 결실은 그러므로 문제가 있다. 이러한 이유로, N-말단 영역에서의 삽입 또는 결실은 아미노산 치환에 유리하게 피해진다. 아미노산 75-83 루프와 상호작용하는 서브틸리신의 상술된 영역에 있는 많은 원래의 아미노산들이 더 이상 최적이 아닌 것으로 가정될 수 있다. 그러므로, 그곳의 환경이 75-83 결실에 의해 변화된 위치에서의 최소한 한 아미노산의 치환, 결실 또는 첨가에 의해 분자의 안정성을 증가시키는 것이 가능하였다.There are several logical strategies for remodeling this region of the protein to produce subtilisin BPN 'mutants with greater enzymatic activity or increased stability. Since the four amino acids at the N-terminus are disordered in the X-ray structure, one possible approach would be to delete them from the protein. However, the requirements for processing propeptide from mature proteins are currently unknown. Deletion of amino acids from the insertion or N-terminal region is therefore problematic. For this reason, insertions or deletions in the N-terminal region are advantageously avoided for amino acid substitutions. It can be assumed that many of the original amino acids in the above-described regions of subtilisin that interact with amino acid 75-83 loops are no longer optimal. Therefore, it was possible to increase the stability of the molecule by substitution, deletion or addition of at least one amino acid at a location where its environment was changed by 75-83 deletion.

첫 번째 시도는 위치 5 에서 프롤린을 알라닌으로 돌연변이시켜서 위치 5 에서의 가요성을 보다 더 크게 만드는 것이었다. 이렇게 증가된 가요성은 N-말단이, 칼슘 루프의 결실에 의해 생성된 단백질의 새로운 표면을 따라 독특한 위치를 찾는 노력을 하는 것을 가능하게 한다. 일단 N-말단이 독특한 위치를 추정하면, 그런 다음 그것의 국소적인 상호작용이 최적화될 수 있다.The first attempt was to mutate proline to alanine at position 5 to make the flexibility at position 5 even greater. This increased flexibility allows the N-terminus to make an effort to find unique locations along the new surface of the protein produced by the deletion of the calcium loop. Once the N-terminus estimates a unique location, its local interaction can then be optimized.

P5A 돌연변이는 N-말단에 대하여 보다 더 큰 가요성을 생성시키기 위한 노력의 일환으로 만들어졌으며, 칼슘 루프의 결실에 의해 생성된 단백질의 새로운 표면을 따라 독특한 위치를 찾는 것을 가능하게 한다. 원래의 구조에서 처음 다섯 개의 아미노산들은 연장된 형태를 취하며, 칼슘과의 Q2 측쇄 상호작용뿐만 아니라 칼슘 루프와의 β-쌍 수소 결합을 형성한다. 동종 칼슘 A-부위를 가지고 있는 7 개의 박테리아 서브틸리신 중에서 보존된, 위치 5 에 있는 프롤린은 연장된 형태를 안정화시키는 것을 도와줄 수 있을 것이다. △75-83 서브틸리신에서 P5A 돌연변이는 그러므로 풀림 반응의 협동성의 증가를 유발시켜야 한다. 이 변이체의 X-선 구조는 1.8 Å 으로 측정되었다.P5A mutations have been made in an effort to create greater flexibility for the N-terminus and make it possible to find unique locations along new surfaces of proteins produced by the deletion of calcium loops. In the original structure, the first five amino acids take an extended form and form β-pair hydrogen bonds with calcium loops as well as Q2 side chain interactions with calcium. Proline at position 5, conserved among seven bacterial subtilisins with homologous calcium A-sites, may help stabilize the extended form. The P5A mutation in Δ75-83 subtilisin should therefore lead to an increase in the cooperativeness of the annealing response. The X-ray structure of this variant was measured at 1.8 Hz.

본 발명자들은 환경이 치환을 위해 실질적으로 변화되어 있는 10 개의 상이한 위치에서 아미노산을 선택하였다. 돌연변이 생성 및 스크리닝 과정이 특별한 부위에서 모든 가능한 치환을 스크린하기 위하여 개발되었다. 서브틸리신 변이체를 생성하고 스크리닝하는 기법은 클론된 서브틸리신 유전자를 시험관내에서 돌연변이 생성시키고, 돌연변이된 유전자를 고초균내에서 발현시키며, 증가된 안정성에대해 스크리닝하는 것을 포함한다.We have selected amino acids at ten different positions where the environment has changed substantially for substitution. Mutation generation and screening procedures have been developed to screen all possible substitutions at specific sites. Techniques for generating and screening subtilisin variants include mutagenesis of cloned subtilisin genes in vitro, expressing the mutated genes in Bacillus subtilis, and screening for increased stability.

예를 들면, 부위-특정 돌연변이 생성을, 한 코돈에서 축퇴되어 있는 올리고누클레오티드를 사용하여 S46 서브틸리신 유전자상에서 수행하였다. 축퇴 코돈은 서열 NNB (N 은 네가지 누클레오티드중 어느 하나이고, B 는 T, C 또는 G 이다) 의 모든 조합을 사용하였다. 이 집단에 표시된 48 개의 코돈은 모든 20 개의 아미노산을 코드하지만, 단 ocher 및 umber 종결 코돈은 배제하였다. 돌연변이된 유전자들은 고초균을 형질전환시키는데 사용되었다. 특별한 돌연변이의 실예를 하기와 같이 표 2에 나타낸다 :For example, site-specific mutagenesis was performed on the S46 subtilisin gene using oligonucleotides degenerate in one codon. The degenerate codon used all combinations of the sequence NNB, where N is any one of the four nucleotides and B is T, C or G. The 48 codons represented in this population code for all 20 amino acids, except for the ocher and umber termination codons. Mutated genes were used to transform Bacillus subtilis. Examples of specific mutations are shown in Table 2 as follows:

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돌연변이체 집단에서 트립토판, 글루타민, 글루타메이트 또는 메티오닌을 발견할 기회를 98 % 로 하기 위해서는, 당업자는 약 200 개의 돌연변이 클론을 스크린하여야 한다. 그러한 코돈의 각각은 서열 NNB 의 집단에 함유된 48 개의 코돈 중 단지 하나의 코돈에 의해서만 표시된다. 모든 다른 아미노산에 대한 코돈은 집단의 최소한 두 개의 코돈에 의해 표시되고 돌연변이체 집단으로 표시되는 기회를 98 % 갖기 위해서는 약 100 개의 돌연변이 클론을 스크린하는 것이 필요할 것이다.In order to have a 98% chance of finding tryptophan, glutamine, glutamate or methionine in the mutant population, one skilled in the art should screen about 200 mutant clones. Each such codon is represented by only one codon of the 48 codons contained in the population of sequence NNB. Codons for all other amino acids will be required to screen about 100 mutant clones to have a 98% chance that they are represented by at least two codons in the population and represented by the mutant population.

한 위치에서의 최적 아미노산을 확인하기 위해서, 돌연변이체들을 고온에서의 효소 활성의 보유 여부에 대하여 스크린하였다. 100 ㎕ 의 매질이 미소적정 접시의 96 웰 각각에 분배되었다. 각각의 웰을 바실루스 형질전환체로 접종하고 37 ℃ 에서 흔들어주면서 인큐베이션하였다. 18 시간동안 성장시킨 후, 20 ㎕ 의 배양액을 두 번째 미소적정 접시에 80 ㎕ 의 100 mM 트리스-HCl, pH 8.0 으로 희석하였다. 그런 다음 이 접시를 65 ℃ 에서 한 시간동안 인큐베이션하였다. 접시를 고온에서 인큐베이션한 다음에 실온으로 냉각시키고 100 ㎕ 의 1 mM SAAPF-pNA 를 각 웰에 첨가하였다. 가장 빠르게 pNA 를 절단하는 (노란색으로 변함) 웰이 가장 내열성인 서브틸리신 돌연변이체를 함유하는 것으로 생각하였다. 일단 안정한 돌연변이체의 예비적인 확인이 두 번째 미소적정 접시로부터 이루어지면, 첫 번째 미소적정 접시의 상응하는 웰의 바실루스 클론을 추가의 분석을 위하여 성장시켰다.To identify the optimal amino acid at one position, mutants were screened for retention of enzymatic activity at high temperatures. 100 μl of medium was dispensed into each of the 96 wells of the microtiter dish. Each well was inoculated with a Bacillus transformant and incubated with shaking at 37 ° C. After 18 hours of growth, 20 μl of the culture was diluted with 80 μl of 100 mM Tris-HCl, pH 8.0 in a second microtiter dish. This dish was then incubated at 65 ° C. for one hour. The dish was incubated at high temperature then cooled to room temperature and 100 μl of 1 mM SAAPF-pNA was added to each well. The wells that cut the pNA fastest (changing yellow) were considered to contain the most heat-resistant subtilisin mutant. Once preliminary identification of stable mutants was made from the second microtiter dish, the Bacillus clone of the corresponding well of the first microtiter dish was grown for further analysis.

10 개의 위치중 7 개의 위치에서 돌연변이를 안정화시키는 것으로 확인된 스크리닝 과정을 조사하였다. 주지된 바와 같이, 이들 아미노산 위치들은 그것의 환경이 칼슘 도메인 결실에 의하여 실질적으로 변화되어 있는 단백질의 위치에서 선택되었다. 위치 4, 74 및 214 에서는 돌연변이가 확인되지 않았는데, 이것들은 그 자체가 본 발명과 관련하여 돌연변이체의 반감기가 상당히 증가되었다. 그러나, 위치 214 에서는 단지 소수성 아미노산의 효과만이 스크린되었다. 위치 5, 41 및 43 에서는 돌연변이를 볼 수 없었는데, 이것들은 측정할 수 있지만 낮은 수준의 안정성의 증가를 초래하였다. 더욱이, 위치 2, 3, 73 및 206 에서는 여러 개의 돌연변이가 발견되었는데, 이것들은 본래의 서브틸리신에 관련하여 돌연변이체의 반감기가 상당히 증가되었다. 이들 안정화 돌연변이체들을 하기 표 3에 나타낸다 :The screening process was found to stabilize the mutation at 7 of 10 positions. As noted, these amino acid positions were chosen at the position of the protein whose environment is substantially changed by the deletion of the calcium domain. No mutations were identified at positions 4, 74 and 214, which themselves increased significantly the half-life of the mutant in connection with the present invention. However, at position 214 only the effect of hydrophobic amino acids was screened. Mutations were not seen at positions 5, 41 and 43, which could be measured but resulted in a low level of increase in stability. Moreover, several mutations were found at positions 2, 3, 73 and 206, which significantly increased the half-life of the mutant relative to the original subtilisin. These stabilizing mutants are shown in Table 3 below:

안정화 돌연변이Stabilization mutation 단백질 영역Protein region 부위part 증가increase N-말단 :N-terminal: Q2KQ2K 2.0 배2.0 times 63-85 α-나선 :63-85 α-helix: A73LA73L 2.6 배2.6 times 202-220 β-리본202-220 β-ribbon Q206VQ206V 4.5 배4.5 times N-말단-β-리본N-terminal-β-ribbon S3C-Q206C (이황화)S3C-Q206C (disulfide) 14 배14 times

그런 다음 위치 2(K), 73(L) 및 206(V) 에서의 안정화 아미노산 변형을 조합하여 서브틸리신 S73 을 만들었다. S73 서브틸리신의 성질 및 S46, S79 및 S86 의 성질을 하기 표 4에 나타낸다.Subtilisin S73 was then made by combining the stabilizing amino acid modifications at positions 2 (K), 73 (L) and 206 (V). The properties of S73 subtilisin and the properties of S46, S79 and S86 are shown in Table 4 below.

돌연변이체Mutant 돌연변이1 Mutant 1 비활성2 Inactive 2 반감기 (60℃)3 Half-life (60 ℃) 3 증 가increase S46S46 -- 100 U/mg100 U / mg 2.3 분2.3 minutes -- S73S73 Q2KA73LQ206VQ2KA73LQ206V 160 U/mg160 U / mg 25 분25 mins 11 배11 times S79S79 Q2KA73LQ206CQ2KA73LQ206C N.D.4 ND 4 18 분18 mins 8 배8 times S86S86 Q2KS3C5A73LQ206C5 Q2KS3C 5 A73LQ206C 5 85 U/mg85 U / mg 80 분80 minutes 35 배35 times 1) 서브틸리신 S46, S73, S79 및 S86 은 모두 돌연변이 M50F, Y217K 및 N218S 및 Q271E 를 함유한다.2) 비활성은 10 mM 트리스-HCl, pH 8.0 중에서 및 25 ℃ 에서 숙시닐-L-Ala-L-Ala-L-Pro-L-Phe-p-니트로아닐리드 (SAAPF-pNA) 에 대하여 측정한다.3) 반감기는 10 mM 트리스-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl,10 mM EDTA 중에서, 60 ℃ 에서 측정한다.4) 측정되지 않음.5) 이황화 결합은 위치 3 과 206 사이에 있는 시스테인들 사이에서 형성되었다. 이황화 결합의 형성은 변성된 단백질의 선회 운동의 반경을 겔 전기영동에 의해 측정함으로써 확인되었다.1) Subtilisin S46, S73, S79 and S86 all contain the mutations M50F, Y217K and N218S and Q271E. 2) Inactivation in succinyl-L-Ala- in 10 mM Tris-HCl, pH 8.0 and at 25 ° C. L-Ala-L-Pro-L-Phe-p-nitroanilide (SAAPF-pNA) is measured. 3) The half-life is 60 ° C. in 10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl, 10 mM EDTA. 4) Not measured. 5) Disulfide bonds were formed between cysteines between positions 3 and 206. The formation of disulfide bonds was confirmed by measuring the radius of rotational motion of the denatured protein by gel electrophoresis.

많은 경우에, 특정 위치에서의 아미노산의 선택은 이웃한 위치들에 있는 아미노산에 의해 영향을 받을 것이다. 그러므로, 안정화 아미노산의 가장 좋은 조합을 찾기 위해서는, 어떤 경우에는 둘 또는 그 이상의 위치에 있는 아미노산들을 동시에 변경시키는 것이 필요할 것이다. 특히, 이것은 그것들의 측쇄가 강력하게 상호작용할 수 있는 아미노산을 가지고 있는 위치 3 과 206 에서 시행되었다. 변형의 가장 좋은 조합은 위치 3 과 206 에 있는 시스테인 변형이었음이 측정되었다. 이 변형은 S86 으로서 표시된다. 이들 두 개의 위치에 있는 시스테인들 사이의 적절한 기하학 및 가까운 밀접성 때문에, 이황화 교차 결합은 자발적으로 이들 두 잔기 사이에서 형성된다.In many cases, the choice of amino acid at a particular position will be influenced by the amino acid at neighboring positions. Therefore, to find the best combination of stabilizing amino acids, in some cases it will be necessary to change the amino acids at two or more positions simultaneously. In particular, this has been done at positions 3 and 206 where their side chains have amino acids that can interact strongly. It was determined that the best combination of strains was the cysteine strain at positions 3 and 206. This variant is indicated as S86. Because of the proper geometry and close closeness between the cysteines at these two positions, disulfide crosslinks spontaneously form between these two residues.

S86 서브틸리신의 안정성이 S73 과 관련하여 연구되었다. S86 의 반감기는 60 ℃ 에서 및 10 mM 트리스-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl 및 10 mM EDTA 중에서 80 분인 것으로 밝혀졌으며, 이 값은 S73 서브틸리신과 비교하여 3.2 배 증가한 것이다. 대조적으로, 3-206 이황화 교차 결합은 칼슘 A-부위를 함유한 천연 서브틸리신에서는 형성될 수 없을 것이다. 왜냐하면, 75-83 결합 루프가 202-219 β-리본으로부터 N-말단 아미노산을 분리해내기 때문이다. 그러므로, 75-83 결합 루프가 없는 본 발명의 S86 돌연변이체에서 일어나는 안정성의 증가는 이들 위치에서 유사하게 시스테인 변형되는 천연 서브틸리신에서는 똑같이 관찰되지 않을 것이다.The stability of S86 subtilisin was studied in relation to S73. The half-life of S86 was found to be 80 minutes at 60 ° C. and in 10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl and 10 mM EDTA, which is a 3.2 fold increase compared to S73 subtilisin. In contrast, 3-206 disulfide crosslinks would not be formed in natural subtilisin containing calcium A-sites. This is because the 75-83 binding loop separates the N-terminal amino acid from the 202-219 β-ribbon. Therefore, the increase in stability that occurs in the S86 mutants of the invention without the 75-83 binding loop will not be equally observed in native subtilisin that is similarly cysteine modified at these positions.

안정성의 유사한 증가가 만일 그것들의 칼슘 루프가 결실된다면 I-S1 과 I-S2 그룹의 다른 서브틸리신에서도 고유한 것이 될 것으로 예상된다 [Siezen et al.,Protein Engineering, 4, pp. 719-737, 도 7 참조]. 이것은 이들 상이한 서브틸리신에 있는 일차 칼슘 부위가 나선 C 의 동일한 위치에서 구성된 거의 동일한9 개의 잔기 루프로부터 형성된다는 사실을 기초로 한 타당한 예상이다.A similar increase in stability is expected to be unique to other subtilisins of the I-S1 and I-S2 groups if their calcium loops are deleted [Siezen et al., Protein Engineering , 4, pp. 719-737, FIG. 7]. This is a reasonable prediction based on the fact that the primary calcium sites in these different subtilisins are formed from nearly identical nine residue loops constructed at the same position in helix C.

I-S1 서브틸리신 BPN 및 칼스베르그, 뿐만 아니라 I-S2 서브틸리신 (사비나아제) 의 X-선 구조는 높은 해상도로 측정되었다. 이들 구조를 비교한 결과 이들 세 개는 모두 거의 동일한 칼슘 A-부위를 가지고 있음이 증명되었다.The X-ray structures of I-S1 subtilisin BPN and Carlsberg, as well as I-S2 subtilisin (savinase), were measured at high resolution. Comparing these structures demonstrated that all three had nearly identical calcium A-sites.

제 I 부류의 서브틸라제인 써모악티노마이세스 불가리스로부터의 써미타제의 X-선 구조가 또한 알려져 있다. 써미타제에 대한 BPN'의 전체 상동성이 I-S1 및 I-S2 에 대한 BPN' 의 상동성보다 훨씬 더 낮지만, 써미타제는 유사한 칼슘 A-부위를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 써미타제의 경우에, 루프는 나선 C 의 동일한 부위에서 10 개의 잔기로 이루어진 방해물이다.Also known are the X-ray structures of the thermase from Thermoactinomyces vulgaris, a subclass of class I. Although the overall homology of BPN 'to the thermitase is much lower than the homology of BPN' to I-S1 and I-S2, it has been found that the thermase has a similar calcium A-site. In the case of the thermitase, the loop is a block of 10 residues at the same site of helix C.

그러므로, 본원에서 예시된 안정화 돌연변이는 다른 제 I 부류의 서브틸라제의 칼슘 루프-결실판에 대한 안정성에 유사한 유익한 효과를 제공한다.Therefore, the stabilizing mutations exemplified herein provide a similar beneficial effect on the stability of calcium loop-deleting plates of other class I subtilases.

S46 서브틸리신에 관련하여 S73, S76 및 S86 의 안정성이 60 ℃ 에서 및 10 mM 트리스-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl 및 10 mM EDTA 중에서 열적 비활성화에 대한 내성을 측정함에 의해 비교되었다. 간격을 두고 일정액이 취해진 다음 각 일정액에 남아 있는 활성을 측정하였다. 이런 조건하에서, S46 서브틸리신의 반감기는 2.3 분이었고, S73 의 반감기는 25 분이었다 (표 4 참조).The stability of S73, S76 and S86 in relation to S46 subtilisin was compared by measuring resistance to thermal inactivation at 60 ° C. and in 10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl and 10 mM EDTA. A constant amount was taken at intervals and then the activity remaining in each constant amount was measured. Under these conditions, the half-life of S46 subtilisin was 2.3 minutes and the half-life of S73 was 25 minutes (see Table 4).

안정성이 증가된 다른 돌연변이체들을 확인하기 위하여, 당업자에게 알려져 있는 모든 돌연변이 생성 기술을 사용할 수 있다. 서브틸리신 변이체를 생성하고 스크리닝하기 위한 그러한 기법의 한 실예는 다음의 세 단계를 포함한다 : 1) 클론된 서브틸리신 유전자의 시험관내 돌연변이 생성; 2) 고초균 내에서의 돌연변이된유전자의 발현; 그리고 3) 증가된 안정성에 대한 스크리닝. 무작위 돌연변이 생성 접근법에서 가장 중요한 엘레먼트는 대다수의 변이체를 스크린할 수 있는 것이다.In order to identify other mutants with increased stability, any mutagenesis technique known to those skilled in the art can be used. One example of such a technique for generating and screening subtilisin variants includes the following three steps: 1) in vitro mutagenesis of the cloned subtilisin gene; 2) expression of mutated genes in Bacillus subtilis; And 3) screening for increased stability. The most important element in the random mutagenesis approach is the ability to screen the majority of variants.

비록 무작위 돌연변이 생성법이 사용될 수 있긴 하지만, 상술된 돌연변이 생성 과정은 돌연변이가 단백질의 국소화된 영역 (예컨대 N-말단 영역) 에 특정되는 것을 가능하게 한다. 상기에서 주지된 바와 같이, S46, S47, S68, S73, S79 및 S86 돌연변이체들 (이것들은 활성-부위 S221 을 포함한다) 은 효소적으로 활성인 것으로 밝혀졌다. 다른 치환도 동등한 또는 심지어는 더 큰 안정성 및 활성을 제공하는 것으로 확인될 수 있을 것으로 기대된다.Although random mutagenesis can be used, the mutagenesis process described above enables mutations to be specific to localized regions of the protein (eg, N-terminal regions). As noted above, the S46, S47, S68, S73, S79 and S86 mutants (which include the active-site S221) were found to be enzymatically active. It is anticipated that other substitutions may be found to provide equivalent or even greater stability and activity.

트리스-HCl, pH 8.0 및 25 ℃ 에서 기질인 sAAPF-pNA 에 대한 본 발명의 예시적인 칼슘-비결합 서브틸리신 돌연변이체들의 활성을 하기 표 5에 나타낸다 :The activity of exemplary calcium-unbound subtilisin mutants of the invention on substrate sAAPF-pNA at Tris-HCl, pH 8.0 and 25 ° C. is shown in Table 5 below:

서브틸리신Subtilisin 비 활 성Inactive 반감기 (55 ℃)Half-life (55 ℃) BPN'BPN ' 80 U/mg80 U / mg 2 분2 mins S12S12 0.0025 U/mg0.0025 U / mg N.D.1 ND 1 S15S15 0.0025 U/mg0.0025 U / mg N.D.1 ND 1 S39S39 0.0025 U/mg0.0025 U / mg N.D.1 ND 1 S46S46 125 U/mg125 U / mg 22 분22 mins S47S47 90 U/mg90 U / mg 4.7 분4.7 min S68S68 ~100 U/mg~ 100 U / mg 25 분25 mins 1) 반감기는 비활성 서브틸리신에 대해서는 측정되지 않았다.1) Half-life was not measured for inactive subtilisin.

상기에서 나타난 바와 같이, 서브틸리신 돌연변이체들 S46, S47, S68, S73, S79 및 S86 은 서브틸리신 BPN' 과 비교하여 촉매 활성이 증가되었다. 결실로 인한 촉매 효과의 변화는 서브틸리신의 활성 부위가 공간적으로는 칼슘 A-부위로부터 떨어져 있다는 사실 때문에 기대하지 않았던 것이다.As indicated above, subtilisin mutants S46, S47, S68, S73, S79 and S86 had increased catalytic activity compared to subtilisin BPN '. The change in catalytic effect due to deletion was unexpected due to the fact that the active site of subtilisin was spatially separated from the calcium A-site.

이들 돌연변이 서브틸리신의 안정성을 천연 서브틸리신 BPN' 과, 그것들의열적 비활성화에 대한 내성을 측정함으로써 비교하였다. 칼슘-비결합 서브틸리신 돌연변이체들의 안정성이 금속 킬레이트화제에 의해 영향을 받지 않아야 하기 때문에, 실험은 10 mM 의 트리스-HCl, pH 8.0, 50 mM 의 NaCl 및 10 mM 의 EDTA (칼슘에 대한 EDTA 의 결합 상수는 2 × 108M-1) 중에서 수행하였다. 단백질을 상기 완충액에 용해시키고 55 ℃ 로 가열하였다. 일정액을 시간 간격을 두고 취하여 각 일정액에 남아 있는 활성을 측정하였다. 비활성화의 역학은 도 10 에 도표화된다. 이러한 조건하에서, 서브틸리신 돌연변이체들의 반감기는 서브틸리신 BPN' 의 그것보다 훨씬 더 개량되었다. 이들 결과는 부위 A 에서 칼슘 결합이 제거되도록 돌연변이되어 있는 서브틸리신들이 서브틸리신 BPN' 과 비교하여 완전한 촉매 활성 및 EDTA 중에서 개선된 안정성을 가진다는 것을 나타낸다. S46 의 타당한 안정성 수준은 아미노산 75-83 을 결실시킴으로써 유발된 상호작용 손실을 보상하는 추가의 돌연변이가 없어도 이루어졌다.The stability of these mutant subtilisin was compared by measuring native subtilisin BPN 'and their resistance to thermal inactivation. Since the stability of the calcium-unbound subtilisin mutants should not be affected by the metal chelating agent, the experiment showed that 10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 50 mM NaCl and 10 mM EDTA (EDTA for calcium The binding constant of was performed in 2 x 10 8 M -1 ). Protein was dissolved in the buffer and heated to 55 ° C. A constant amount was taken at time intervals to measure the activity remaining in each constant amount. The dynamics of deactivation are plotted in FIG. 10. Under these conditions, the half-life of subtilisin mutants was much improved than that of subtilisin BPN '. These results indicate that subtilisin mutated to remove calcium binding at site A has complete catalytic activity and improved stability in EDTA compared to subtilisin BPN '. Valid stability levels of S46 were achieved without additional mutations that compensated for the loss of interaction caused by deleting amino acids 75-83.

그로써, 본 발명자들은 활성을 보유하며 여전히 칼슘에 결합하지 않는 서브틸리신 돌연변이체들이 얻어질 수 있는 믿을 만한 증거를 제공하였다. 그러므로 이들 돌연변이체들이 킬레이트제를 포함하는 산업적 환경에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이것이 단지 서브틸리신 BPN' 으로는 특이적으로 보이는 한편, 동등한 돌연변이들은 그것들이 특히 칼슘 결합 부위에 실질적인 서열 유사성을 가지고 있기만 한다면, 다른 세린 프로테아제, 가장 특별하게는 다른 I-S1 또는 I-S2 서브틸리신으로도 그러하여야 한다.As such, we provided reliable evidence that subtilisin mutants that retain activity and still do not bind calcium can be obtained. Therefore, it is expected that these mutants may be used in industrial environments that include chelating agents. While this only appears to be specific for subtilisin BPN ', equivalent mutations are different serine proteases, most particularly other I-S1 or I-S2 subs, provided they have substantial sequence similarity, especially at calcium binding sites. So should it be with tilisin.

그러한 스트래티지는 예를 들면, 칼슘 결합에 필요한 것으로 추정되는 아미노산을 확인하기 위하여 다른 세린 프로테아제에 대한 서브틸리신 BPN' 의 서열을 비교하고, 그런 다음 예컨대 부위-특이적 돌연변이 생성에 의하여 적절한 변형을 만드는 것을 포함할 것이다. 많은 서브틸리신들이 그것들의 일차 서열 및 효소학적 성질을 통해서뿐만 아니라 X-선 결정학 데이터에 의해서 서브틸리신 BPN' 에 관련되어 있기 때문에, 칼슘 결합이 결핍된 다른 활성 서브틸리신 돌연변이체들이 부위 특이적 돌연변이 생성에 의해 생성될 수 있을 것으로 예상된다. 예를 들면, 동종 효소 서브틸리신 칼스베르그가 또한 두 개의 칼슘 결합 부위를 포함한다는 구조적 증거가 있다. 유사하게, 써미타제의 X-선 구조가 알려져 있고, 이 서브틸리신은 서브틸리신 BPN' 의 것과 유사한 칼슘 A 결합 부위를 가지고 있다. 써미타제의 경우에, 칼슘 결합 루프는 나선 C 의 동일한 부위에 있는 10 개의 잔기로 이루어진 방해물이다. 따라서, 이들 효소들은 또한 칼슘 결합 부위를 제거하고 안정하고 활성인 효소를 생산하는, 본원에서 설명된 돌연변이에 잘 따라야 한다. 더욱이, 상기에서 논의된 바와 같이 [Siezen et al] I-S1 및 I-S2 군의 모든 서브틸리신의 일차 칼슘 결합 부위가 나선 C 의 동일한 위치의 거의 동일한 9 개의 잔기로 이루어진 루프로부터 형성된다는 것이 증명되었다. 그로써, 칼슘 A-부위의 거의 동일한 구조의 견지에서, 본원에서 설명된 방법들은 모든 서브틸리신들이 시즌 등의 문헌에서 설명된 I-S1 및 I-S2 군에 속하는 것은 아니라는 것에 적용되어야 한다.Such a strategy compares the sequence of subtilisin BPN 'for other serine proteases, for example to identify amino acids that are presumed to be required for calcium binding, and then makes appropriate modifications, such as by site-specific mutagenesis. It will involve creating a. Because many subtilisins are involved in subtilisin BPN 'not only through their primary sequence and enzymatic properties, but also by X-ray crystallographic data, other active subtilisin mutants lacking calcium binding are site specific. It is expected that it can be produced by enemy mutagenesis. For example, there is structural evidence that the homologous enzyme subtilisin Carlsberg also includes two calcium binding sites. Similarly, the X-ray structure of the thermitase is known and this subtilisin has a calcium A binding site similar to that of subtilisin BPN '. In the case of the thermitase, the calcium binding loop is an obstacle consisting of 10 residues at the same site of helix C. Therefore, these enzymes must also follow the mutations described herein, which remove calcium binding sites and produce stable and active enzymes. Furthermore, as discussed above, it is demonstrated that the primary calcium binding sites of all subtilisin of the [Siezen et al] I-S1 and I-S2 groups are formed from a loop consisting of nearly identical 9 residues at the same position of helix C. It became. As such, in view of the nearly identical structure of the calcium A-site, the methods described herein should be applied to that not all subtilisins belong to the I-S1 and I-S2 groups described in the literature, such as season.

또는 달리, 만약 칼슘 결합 부위를 가지고 있는 아미노산들이 이미 특별한 서브틸리신에 대해 알려져 있다면, 상응하는 DNA 는 하나 또는 그 이상의 그러한아미노산을 결실시키도록, 또는 칼슘 결합을 제거하는 치환, 결실 또는 첨가 돌연변이를 제공하도록 부위특정 돌연변이 생성에 의해 돌연변이될 것이다.Or alternatively, if amino acids with calcium binding sites are already known for a particular subtilisin, the corresponding DNA may be deleted to delete one or more such amino acids, or to replace, delete or add mutations that remove calcium binding. Will be mutated by site-specific mutagenesis to provide.

본 발명의 돌연변이 서브틸리신은 일반적으로 재조합 방법으로, 특히 발현시에 효소적으로 활성이고 칼슘에 결합하지 않는 서브틸리신 단백질을 생산하도록 돌연변이된 서브틸리신 DNA 의 발현에 의해 생성될 것이다.Mutant subtilisin of the invention will generally be produced by recombinant methods, in particular by expression of subtilisin DNA mutated to produce a subtilisin protein that is enzymatically active at expression and does not bind calcium.

바람직하게는, 서브틸리신 DNA 는 미생물 숙주 세포, 특히 고초균에서 발현될 것이다. 왜냐하면, 이 박테리아가 원래 서브틸리신을 생성하며, 단백질을 효과적으로 분비하고, 단백질을 활성 형태로 생성할 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명은 바실루에서의 서브틸리신의 발현에 제한되지 않으며, 오히려 원하는 서브틸리신 돌연변이체들의 발현을 제공하는 어떠한 숙주 세포에서의 발현도 포함한다. 발현에 적당한 숙주 세포는 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 예를 들면 대장균, 바실루스, 살모넬라, 슈도모나스와 같은 박테리아 숙주 세포; 사카로마이세스 세레비시애, 피치아 파스토리스 (Pichia pastoris), 클루베로마이세스 (Kluveromyces), 칸디다, 시조사카로마이세스와 같은 효모 세포; 및 CHO 세포와 같은 포유류 숙주 세포가 있다. 그러나 박테리아 숙주 세포가 발현에 바람직한 숙주 세포이다.Preferably, the subtilisin DNA will be expressed in microbial host cells, in particular Bacillus subtilis. Because the bacterium originally produces subtilisin, effectively secretes proteins, and can produce proteins in active form. However, the present invention is not limited to the expression of subtilisin in basil, but rather includes expression in any host cell that provides for the expression of the desired subtilisin mutants. Suitable host cells for expression are well known in the art and include, for example, bacterial host cells such as E. coli, Bacillus, Salmonella, Pseudomonas; Yeast cells, such as Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris , Kluveromyces , Candida, Shizuka caromyces ; And mammalian host cells such as CHO cells. However, bacterial host cells are preferred host cells for expression.

서브틸리신 DNA 의 발현은 활용가능한 벡터 및 조절 서열을 사용하여 제공될 것이다. 실제의 선택은 대부분 발현에 사용되는 특정 숙주 세포에 좌우될 것이다. 예를 들면, 만약 서브틸리신 돌연변이 DNA 가 바실루스에서 발현된다면, 바실루스 유도된 벡터뿐만 아니라 바실루스 프로모터가 일반적으로 활용될 것이다. 본 발명자들은 특히 pUB110-기초 발현 벡터와, 고초균상에서의 발현을 조절하기 위하여 서브틸리신 BPN' 유전자로부터의 천연 프로모터를 사용하였다.Expression of subtilisin DNA will be provided using available vectors and regulatory sequences. The actual choice will depend largely on the particular host cell used for expression. For example, if subtilisin mutant DNA is expressed in Bacillus, Bacillus promoters as well as Bacillus derived vectors will generally be utilized. We particularly used pUB110-based expression vectors and native promoters from the subtilisin BPN 'gene to regulate expression on Bacillus subtilis.

일단 칼슘에 결합하지 않는 특정 서브틸리신 돌연변이체의 아미노산 서열이 밝혀지면, 단백질 합성에 의해, 예컨대 메리필드 합성에 의해 서브틸리신 돌연변이체를 제조하는 것이 가능할 수 있다는 것이 추가로 주지된다. 그러나, 미생물 숙주 세포에서의 서브틸리신 돌연변이체의 발현이 일반적으로 바람직하다. 왜냐하면, 이것이 미생물 숙주 세포가 효소 활성에 적절한 형태로 서브틸리신 단백질을 생산하는 것을 가능하게 하기 때문이다. 그러나, 본 발명자들이 추가로 본원에서 서브틸리신 돌연변이체의 시험관내 재접힘을 얻기 위한 방법을 교시하고 있기 때문에, 부적절하게 접혀진 서브틸리신 돌연변이체들을 활성 형태로 전환시키는 것이 가능하여야 한다.It is further noted that once the amino acid sequence of a particular subtilisin mutant that does not bind calcium is found, it may be possible to prepare the subtilisin mutant by protein synthesis, such as by Merrifield synthesis. However, expression of subtilisin mutants in microbial host cells is generally preferred. This is because it enables microbial host cells to produce subtilisin protein in a form suitable for enzymatic activity. However, as we further teach herein methods for obtaining in vitro refolding of subtilisin mutants, it should be possible to convert improperly folded subtilisin mutants into active form.

본 발명 및 그것의 장점을 한층 더 예시하기 위하여 다음의 특정 실시예가 제공되며, 하기 실시예는 단지 예시의 목적이며 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.The following specific examples are provided to further illustrate the present invention and its advantages, and it is to be understood that the following examples are for illustrative purposes only and not limitation.

(실시예1)Example 1

클로닝 및 발현 : 바실루스 아밀로리쿠에파시엔스로부터의 서브틸리신 유전자 (서브틸리신 BPN') 를 클론하였고, 서열화하였으며, 고초균에서 그것의 천연 프로모터 서열로부터 높은 수준으로 발현시켰다 [Wells et al.,Nucleic Acids Res., 11:7911-7925 (1983); Vasantha et al.,J. Bacteriol., 159:811-819 (1984)]. 모든 돌연변이 유전자들을 pUB110-기초 발현 플라스미드 안에 재클론하여 고초균을 형질전화시키는데 사용하였다. 숙주로서 사용된 고초균 스트레인은 그것의 서브틸리신 유전자의 염색체성 결실을 함유하며, 따라서 바탕 야생형 (wt) 활성을 생성하지 않는다 [Fahnestock et al.,Appl. Environ. Microbial., 53:379-384 (1987)]. 올리고누클레오티드 돌연변이 생성은 앞서 설명된 바와 같이 수행하였다 [Zoller et al.,Methods Enzymol., 100:468-500 (1983); Bryan et al.,Proc. Natl. Acad. Sci., 83:3743-3745 (1986b)]. S221C 를 1.5 리터용 뉴 브룬스윅 발효기 (New Brunswick Fermentor) 에서 리터당 정확하게 프로세스된 성숙한 형태 대략 100 mg 의 수준으로 발현시켰다. S221C 서브틸리신의 성숙한 형태의 생성을 촉진하기 위하여 야생형 서브틸리신을 첨가하는 것은, 이전 스트레인의 경우에서와는 달리 본 발명의 바실루스 숙주 스트레인에는 필요하지 않다 [Abrahmsen et al.,Biochemistry30:4151-4159 (1991)].Cloning and Expression: The subtilisin gene (subtilisin BPN ') from Bacillus amyloliquefaciens was cloned, sequenced and expressed at high levels from its natural promoter sequence in Bacillus subtilis [Wells et al., Nucleic Acids Res. 11: 7911-7925 (1983); Vasantha et al., J. Bacteriol. , 159: 811-819 (1984). All mutant genes were recloned into pUB110-based expression plasmids and used to transform Bacillus subtilis. Bacillus strains used as hosts contain chromosomal deletions of its subtilisin gene and therefore do not produce background wild type (wt) activity [Fahnestock et al., Appl. Environ. Microbial. , 53: 379-384 (1987). Oligonucleotide mutagenesis was performed as previously described [Zoller et al., Methods Enzymol. , 100: 468-500 (1983); Bryan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. , 83: 3743-3745 (1986b)]. S221C was expressed at a level of approximately 100 mg of accurately processed mature form per liter in a 1.5 liter New Brunswick Fermentor. The addition of wild-type subtilisin to promote the production of mature forms of S221C subtilisin is not required for the Bacillus host strain of the present invention, unlike in the case of the previous strains [Abrahmsen et al., Biochemistry 30: 4151-4159 (1991). )].

단백질 정제 및 특성확인 : 야생형 서브틸리신과 변이 효소를 본질적으로 문헌에 설명된 바와 같이 정제하고 동종성에 대해 확인하였다 [Bryan et al.,Proc. Natl. Acad. Sci., 83:3743-3745 (1986b); pantoliano et al.,Biochemistry,26:2077-2082 (1987); 및Biochemistry, 27:8311-8317 (1988)]. 어떤 경우에는 C221 돌연변이 서브틸리신을 술프히드릴 특이적인 수은 친화성 칼럼 (Affi-gel 501, Biorad) 상에서 다시 정제하였다. 펩티다제 활성의 검정은 델마 등에 의해 설명된 바와 같이, 숙시닐-(L)-Ala-(L)-Ala-(L)-Pro-(L)-Phe-p-니트로아닐리드 (이하 sAAPFna 로 언급함) 의 가수분해를 모니터함으로써 수행하였다 [Delmar et al.,Anal. Biochem., 99:316-329 (1979)]. 단백질 농도 [P] 는 280 nm 에서 P0.1%= 1.17 을 사용하여 측정하였다 [Pantoliano et al.,Biochemistry, 28:7205-7213 (1989)]. Y217K 를 함유하는 변이체에 대해서는 280 nm 에서의 P0.1%를 하나의 Tyr 잔기의 손실에 기초하여 1.15 (또는 0.96 X wt) 로 계산하였다 [Pantoliano et al.,Biochemistry, 28:7205-7213 (1989)].Protein Purification and Characterization: Wild-type subtilisin and mutant enzymes were purified essentially as described in the literature and confirmed for homology [Bryan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 83: 3743-3745 (1986b); pantoliano et al., Biochemistry , 26: 2077-2082 (1987); And Biochemistry , 27: 8311-8317 (1988). In some cases, C221 mutant subtilisin was purified again on sulfhydryl specific mercury affinity column (Affi-gel 501, Biorad). Assays of peptidase activity are described by succinyl- (L) -Ala- (L) -Ala- (L) -Pro- (L) -Phe-p-nitroanilide (hereinafter referred to as sAAPFna), as described by Delmar et al. (See Delmar et al., Anal. Biochem. , 99: 316-329 (1979). Protein concentration [P] was measured using P 0.1% = 1.17 at 280 nm [Pantoliano et al., Biochemistry , 28: 7205-7213 (1989)]. For variants containing Y217K, 0.1% P at 280 nm was calculated as 1.15 (or 0.96 X wt) based on the loss of one Tyr residue [Pantoliano et al., Biochemistry , 28: 7205-7213 (1989) ].

N-말단 분석 : 서브틸리신 S15 의 처음 다섯 개의 아미노산을 순차적인 에드만 분해법 및 HPLC 분석에 의하여 측정하였다. 그 결과 100 % 의 물질이 유전자의 DNA 서열로부터 예상되는 아미노산 서열을 가졌으며, 프로-펩티드의 프로세싱이 야생형 효소에 대한 것과 같이 돌연변이체에 대해서도 서열의 동일한 위치에서 이루어진 것으로 나타났다.N-terminal analysis: The first five amino acids of subtilisin S15 were measured by sequential Edman digestion and HPLC analysis. The results indicated that 100% of the material had the amino acid sequence expected from the DNA sequence of the gene, and the processing of the pro-peptide was done at the same position in the sequence for the mutant as for the wild type enzyme.

(실시예 2)(Example 2)

S12 서브틸리신의 칼슘 A 부위의 구조 : 부위 A 에서의 칼슘은 다섯 개의 카르보닐 산소 리간드 및 하나의 아스파르트산에 의해 배위된다. 칼슘에 대한 카르보닐 산소 리간드중 4 개는 아미노산 75-83 으로 구성되는 루프에 의해 제공된다 (도 2 참조). 리간드의 기하학은 그것의 축이 75 와 79 의 카르보닐을 통과하여 지나가는 5각형 2-피라미드의 기하학과 같다. 루프의 한 쪽에는 이 모양의 돌기가 둘 있는 모양의 카르복실레이트 (D41) 이 있는 한편, 다른 쪽에는 단백질의 N-말단 및 Q2 의 측쇄가 있다. 7 개의 배위 거리는 2.3 내지 2.6 Å 의 범위이며, 가장 짧은 것은 아스파르틸 카르복실레이트이다. 세 개의 수소 결합이 N-말단 절편을 루프 잔기 78-82 에 평행한 베타 배열로 연결시킨다.Structure of the calcium A site of S12 subtilisin: The calcium at site A is coordinated by five carbonyl oxygen ligands and one aspartic acid. Four of the carbonyl oxygen ligands for calcium are provided by a loop consisting of amino acids 75-83 (see FIG. 2). The geometry of a ligand is the same as that of a pentagonal 2-pyramid whose axis passes through the carbonyls of 75 and 79. On one side of the loop is the carboxylate (D41), which has two projections of this shape, while on the other side the N-terminus of the protein and the side chain of Q2. The seven coordination distances range from 2.3 to 2.6 mm 3, with the shortest aspartyl carboxylate. Three hydrogen bonds connect the N-terminal fragments in a beta configuration parallel to the loop residues 78-82.

아포-서브틸리신의 제조 : S11 과 S12 서브틸리신은 정제후에 동일한 몰량의 정확하게 결합된 칼슘을 함유한다. X-선 결정학은 이 칼슘이 A 부위에 결합되어 있는 것을 밝혀냈다 [Finzel et al.,J. Cell. Biochem. Suppl., 10A:272 (1986); Pantoliano et al.,Biochemistry, 27:8311-8317 (1988); McPhalen et al.,Biochemistry, 27:6582-6598 (1988)].Preparation of Apo-Subtilisin: S11 and S12 subtilisin contain the same molar amount of correctly bound calcium after purification. X-ray crystallography revealed that this calcium is bound to the A site [Finzel et al., J. Cell. Biochem. Suppl. , 10A: 272 (1986); Pantoliano et al., Biochemistry , 27: 8311-8317 (1988); McPhalen et al., Biochemistry , 27: 6582-6598 (1988).

서브틸리신으로부터 칼슘의 완전한 제거는 매우 느리며, 단백질로부터 모든 칼슘을 제거하기 위해서는 25 ℃ 에서 24 시간동안 EDTA 에 대해 투석하는 것이 필요하고, 그런 다음에는 단백질로부터 모든 EDTA 를 제거하기 위해서는 4 ℃ 에서 고염에서 48 시간동안 투석하는 것이 필요하다 [Brown et al.,Biochemistry, 16:3883-3896 (1977)]. 서브틸리신 S11 및 S12 의 칼슘-비결합 형태를 제조하기 위해서는, 20 mg 의 동결건조된 단백질을 5 ml 의 10 mM EDTA, 10 mM 의 트리스(히드록시메틸)아미노-메탄 염산 (이하 트리스-HCl 로 언급함) pH 7.5 에 녹인 다음 동일한 완충액에 대해 24 시간동안 25 ℃ 에서 투석하였다. 낮은 이온 강도에서 서브틸리신에 결합하는 EDTA 를 제거하기 위해서, 단백질을 2 리터의 0.9 M NaCl,10 mM 트리스-HCl, pH 7.5 에 대하여 총 24 시간동안 2 회, 그리고 다음에는 2 리터의 2.5 mM 트리스-HCl, pH 7.5 에 대해 4 ℃ 에서 총 24 시간동안 3 회 투석하였다. 켈렉스 (Chelex) 100 을 EDTA 를 함유하지 않는 모든 완충액에 첨가하였다. 안정화 아미노산 치환을 함유하지 않은 C221 버전이 사용되었을 때, 50 % 까지의 단백질이 이 과정중에 침전하였다. 적정 실험에 순수한 천연 아포효소를 사용하여서 칼슘을 첨가하였을 때 침전에 의해 생성된 스프리우스 히트가 결합시 발생하는 열을 측정하는 것을 간섭하지 않도록 하는 것이 필수적이다.Complete removal of calcium from subtilisin is very slow, requiring dialysis against EDTA for 24 hours at 25 ° C. to remove all calcium from the protein, and then high salt at 4 ° C. to remove all EDTA from the protein. Dialysis for 48 hours is required (Brown et al., Biochemistry , 16: 3883-3896 (1977)). To prepare calcium-unbound forms of subtilisin S11 and S12, 20 mg of lyophilized protein was added to 5 ml of 10 mM EDTA, 10 mM of tris (hydroxymethyl) amino-methane hydrochloric acid (hereinafter tris-HCl). Dissolved in pH 7.5 and dialyzed at 25 ° C. for 24 hours on the same buffer. To remove EDTA binding to subtilisin at low ionic strength, the protein was added twice for a total of 24 hours for 2 liters of 0.9 M NaCl, 10 mM Tris-HCl, pH 7.5, and then 2 liters of 2.5 mM Dialysis was performed three times for 24 hours at 4 ° C. against Tris-HCl, pH 7.5. Chelex 100 was added to all buffers containing no EDTA. When the C221 version without stabilizing amino acid substitutions was used, up to 50% of the protein precipitated during this process. It is essential that the titration experiments use pure natural apoenzymes so that the addition of calcium does not interfere with measuring the heat generated during binding when the calcium is added.

아포-서브틸리신의 제조가 칼슘 또는 EDTA 로 오염되지 않는다는 것을 확실하게 하기 위하여, 샘플을 퀸2 의 존재하에 칼슘을 사용한 적정에 의해 조사한 다음 적정 열량 측정을 수행하였다.To ensure that the preparation of apo-subtilisin was not contaminated with calcium or EDTA, the samples were examined by titration with calcium in the presence of quin 2 and then titration calorimetry was performed.

적정 열량 측정 : 열량 측정 적정을 문헌헤 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 마이크로칼 오메가 적정 열량측정계를 사용하여 수행하였다 [Wiseman et al.,Analytical Biochemistry, 179:131-137 (1989)]. 적정 열량 측정계는 완충액을 함유하고 있는 매치된 참조 셀과 단백질 용액을 함유하고 있는 용액 셀 (1.374 ml) 로 구성된다. 마이크로리터 일정액의 리간드 용액을 단계화 모터에 의해 구동되는 플런저로 작동되는 회전하는 교반기 시린지를 통하여 용액에 첨가한다. 주어진 온도에서 안정한 바탕값이 이루어진 후, 자동 주사를 시작하고 매 주사당 수반되는 열 변화를 셀 사이에 있는 열-커플 센서에 의해 측정하였다. 각각의 주사중에 예리한 발열 피크가 나타났으며, 이것은 4 분후에 일어나는 다음 주사전에 바탕값으로 되돌아간다. 각 피크의 면적은 첨가된 리간드가 단백질에 결합하는 것에 수반된 열의 양을 나타낸다. 그런 다음 총 열량 (Q) 을 비선형 최소 스퀘어 최소화 방법 [Wiseman et al.,Analytical Biochemistry, 179:131-137 (1989)] 에 의해 하기 수학식에 따라 총 리간드 농도, [Ca]total에 고정시킨다 :Titration Calorimetry: Calorimetry Titration was performed using a microcal omega titration calorimetry, as described in detail in Wiseman et al., Analytical Biochemistry , 179: 131-137 (1989). Titration calorimetry consists of a matched reference cell containing a buffer solution and a solution cell containing a protein solution (1.374 ml). A microliter of liquor solution is added to the solution via a rotating stirrer syringe operated by a plunger driven by a stepping motor. After a stable background was achieved at a given temperature, automatic scanning was started and the accompanying heat change per scan was measured by a heat-coupled sensor between the cells. A sharp exothermic peak appeared during each injection, which returned to baseline before the next injection, which occurred 4 minutes later. The area of each peak represents the amount of heat involved in binding the added ligand to the protein. The total calories (Q) is then fixed to the total ligand concentration, [Ca] total by the nonlinear least square minimization method [Wiseman et al., Analytical Biochemistry , 179: 131-137 (1989)] according to the following formula:

dQ/d[Ca]total= △H[1/2+(1-(1+r)/2-Xr/2)/Xr-2Xr(1-r)+1+r2)1/2]dQ / d [Ca] total = ΔH [1/2 + (1- (1 + r) / 2-Xr / 2) / Xr-2Xr (1-r) + 1 + r 2 ) 1/2 ]

상기 식에서 1/r 은 [P]total×Ka 이고, Xr은 [Ca]total/[P]total이다.In the above formula, 1 / r is [P] total × Ka, and X r is [Ca] total / [P] total .

S11 및 S12 서브틸리신에 대한 칼슘의 결합은 결합 상수 및 결합 엔탈피가 측정되는 것을 가능하게 하는 적정 열량 측정에 의해 측정하였다 [Wiseman et al.,Analytical Biochemistry, 179:131-137 (1989); Schwarz et al.,J. Biol. Chem., 66:24344-24350 (1991)].Binding of calcium to S11 and S12 subtilisin was determined by titration calorimetry, which allowed binding constants and binding enthalpy to be measured [Wiseman et al., Analytical Biochemistry , 179: 131-137 (1989); Schwarz et al., J. Biol. Chem. , 66: 24344-24350 (1991).

S11 및 S12 서브틸리신 돌연변이체들을, 야생형 효소의 생성이 그것의 단백질 가수분해 활성 및 낮은 안정성으로 인해 불가능하기 때문에 적정 실험에 사용하였다. S11 및 S12 의 적정은 단백질 농도 [P] = 30 μM 및 100 μM 에서 수행하였다. 25 ℃ 에서 칼슘을 사용한 S11 아포효소의 적정은 도 4 에 도시된다. 데이터 점은 칼슘의 각각의 적정과 결합된 칼슘 결합의 네가티브 열에 상응한다. 적정 열량 측정기는 Ka×[P] 의 생성물이 1 과 100 사이에 있는 조건하에서는 Ka의 변화에는 민감하다 [Wiseman et al.,Anaiytical Biochemistry, 179:131-137 (1989)]. 서브틸리신에 대한 Ka가 약 1×107M-1이기 때문에, 이들 단백질 농도는 Ka×[P] =300 과 1000 의 값을 초래한다. 더 낮은 단백질 농도에서는 적정시 생성된 열의 양은 정확하게 측정되기가 어렵다.S11 and S12 subtilisin mutants were used in titration experiments because the production of wild type enzymes was not possible due to its proteolytic activity and low stability. Titration of S11 and S12 was performed at protein concentration [P] = 30 μM and 100 μM. Titration of S11 apoenzyme with calcium at 25 ° C. is shown in FIG. 4. The data points correspond to the negative column of calcium bonds associated with each titration of calcium. The titration calorimeter is sensitive to changes in K a under conditions where the product of K a × [P] is between 1 and 100 [Wiseman et al., Anaiytical Biochemistry , 179: 131-137 (1989)]. Since K a for subtilisin is about 1 × 10 7 M −1 , these protein concentrations result in values of K a × [P] = 300 and 1000. At lower protein concentrations, the amount of heat generated during titration is difficult to measure accurately.

S11 및 S12 의 적정을 계산된 곡선에 고정시킨 결과는 하기 표 6 에 요약된다. 표의 매개변수들은 화학양론적 비율에 대한 결합 매개변수 (n), 결합 상수 (Ka) 및 결합 엔탈피 (△H) 이다. 이들 매개변수들은 비선형 최소 스퀘어 최소화 방법 [Wiseman et al.,Analytical Biochemistry, 179:131-137 (1989)] 을 사용하여 디콘볼루션 (deconvolution) 으로부터 측정하였다. 각 실험 조건에 대한 측정은 25 ℃ 에서 이중으로 수행하였다. 단백질 농도는 30 내지 100 μM 범위에 있는 한편, 칼슘 용액의 농도는 단백질 농도의 약 20 배였다. 각 결합 상수 및 엔탈피는 상이한 농도에서 여러번의 적정 시행을 기초로 하였다. 적정 시행은 적정 피크가 바탕값에 가까워질 때까지 수행하였다.The results of fixing the titrations of S11 and S12 to the calculated curve are summarized in Table 6 below. Parameters in the table are binding parameters (n), binding constants (K a ) and binding enthalpy (ΔH) for stoichiometric ratios. These parameters were determined from deconvolution using the nonlinear least square minimization method (Wiseman et al., Analytical Biochemistry , 179: 131-137 (1989)). The measurement for each experimental condition was performed in duplicate at 25 degreeC. The protein concentration was in the range of 30-100 μM, while the concentration of calcium solution was about 20 times the protein concentration. Each binding constant and enthalpy were based on several titration runs at different concentrations. Titration runs were performed until the titration peaks approached the background.

서브틸리신 돌연변이체 S11 및 S12 의 칼슘 A 부위의 적정 열량 측정Determination of the appropriate calorie of the calcium A site of subtilisin mutants S11 and S12 돌연변이체Mutant [P][P] 피트로부터 계산된 매개변수들Parameters calculated from feet nn KaKa △HH S11S11 100μM100 μM 0.98±0.010.98 ± 0.01 7.8±0.2 x 106 7.8 ± 0.2 x 10 6 -11.3±0.1-11.3 ± 0.1 S11S11 33μM33 μM 0.9±0.30.9 ± 0.3 6.8±1.5 x 106 6.8 ± 1.5 x 10 6 -10.9±0.2-10.9 ± 0.2 S12S12 100μM100 μM 0.99±0.010.99 ± 0.01 6.4±0.2 x 106 6.4 ± 0.2 x 10 6 -11.8±0.5-11.8 ± 0.5

얻어진 평균 값은 S11 및 S12 에 대해 유사하다 : △H = ~-11 kcal/mol; Ka= 7 × 106M-1이었고 결합의 화학양론은 분자당 하나의 칼슘 부위였다. 약한 결합 부위 B 는 밀리몰 범위 아래의 농도에서 칼슘에 결합하지 않으며, 따라서 결합 부위 A 에 대한 결합의 측정을 방해하지 않는다. 25 ℃ 에서 결합의 표준 자유 에너지는 9.3 kcal/mol 이다. 그러므로 칼슘의 결합은 일차적으로는 엔탈피적으로 구동되며, 엔트로피의 전체적인 손실은 작다 (△S결합= -6.7 cal/°mol).The average value obtained is similar for S11 and S12: ΔH = ˜-11 kcal / mol; K a = 7 × 10 6 M −1 and the stoichiometry of the bond was one calcium site per molecule. Weak binding site B does not bind calcium at concentrations below the millimolar range and therefore does not interfere with the measurement of binding to binding site A. The standard free energy of bonding at 25 ° C. is 9.3 kcal / mol. Therefore, the binding of calcium is primarily driven enthalpy, and the overall loss of entropy is small (ΔS binding = -6.7 cal / ° mol).

(실시예 3)(Example 3)

S15 서브틸리신의 시험관내 재접힘 : 재접힘 연구를 위해 서브틸리신을 2.5 mM 트리스-HCl pH 7.5 및 50 mM KCl 중의 원 용액으로서 대략 100 μM 의 농도로 유지시켰다. 원 용액을 5 M 구아니딘 염산염 (Gu-HCl), pH 7.5 로 또는 대부분의 경우에는 25 mM H3PO4또는 HCl, pH 1.8 내지 2.0 으로 희석시킴으로써 단백질을 변성시켰다. 단백질의 최종 농도는 0.1 내지 5 μM 이었다. S15 는 이들 조건에 의해 30 초 이내에 완전히 변성되었다. S12 는 완전히 변성되는데 대략 60 초가 필요하였다. 그런 다음 산-변성된 단백질을 트리스-염 (HCl 중에서 변성된 경우) 또는 5 M NaOH (H3PO4중에서 변성된 경우) 의 첨가에 의해 pH 7.5 로 중성화시켰다. 재접힘은 KCl, NaCl, 또는 CaCl2를 원하는 농도로 첨가함으로써 개시하였다. 예를 들어, KCl 을 4 M 의 원 용액으로부터 0.1 내지 1.5 M 의 최종 농도로 신속하게 교반하면서 첨가하였다. 대부분의 경우에 복원은 25 에서 수행하였다. 복원의 속도는 λ = 286 에서의 흡광도의 증가로부터, 고유의 티로신 및 트립토판 형광의 증가로부터 (흡광도 λ = 282, 발광도 λ = 347) μυ 흡관도에 의해, 또는 λ = 222 nm 에서 네가티브 타원율의 증가로부터 원형 이색성에 의해 분광학적으로 측정하였다.In vitro refolding of S15 subtilisin: Subtilisin was maintained at a concentration of approximately 100 μM as the original solution in 2.5 mM Tris-HCl pH 7.5 and 50 mM KCl for the refolding study. Proteins were denatured by diluting the original solution with 5 M guanidine hydrochloride (Gu-HCl), pH 7.5 or in most cases 25 mM H 3 PO 4 or HCl, pH 1.8-2.0. The final concentration of protein was 0.1-5 μM. S15 was completely denatured by these conditions within 30 seconds. S12 required approximately 60 seconds to fully denature. The acid-modified protein was then neutralized to pH 7.5 by the addition of tris-salt (if modified in HCl) or 5 M NaOH (if modified in H 3 PO 4 ). Refolding was initiated by adding KCl, NaCl, or CaCl 2 to the desired concentration. For example, KCl was added with rapid stirring from 4 M original solution to a final concentration of 0.1-1.5 M. In most cases the restoration was performed at 25. The rate of reconstruction is from an increase in absorbance at λ = 286, from an increase in intrinsic tyrosine and tryptophan fluorescence (absorbance λ = 282, luminescence λ = 347) by μυ absorbance, or at a negative ellipticity at λ = 222 nm Spectroscopically measured by circular dichroism from increase.

(실시예 4)(Example 4)

X-선 결정학 : 커다란 단일 결정 성장 및 X-선 회절 데이터 수집을 본질적으로 이미 문헌에 보고된 바와 같이 수행하였다 [Bryan et al.,Proteins: Struct. Funct. Genet., 1:326-334 (1986b); Pantoliano et al.,Biochemistry, 27:8311-8317 91988); Pantoliano et al.,Biochemistry, 28:7205-7213 (1989)]. 단, 적당한 결정을 얻기 위하여 디이소프로필 플루오로포스페이트 (DFP) 로 S221C 변이체를 비활성화시키는 것은 필요하지 않다. S12 에 대한 출발 모델은 초안정 서브틸리신 돌연변이체 8350 (단백질 데이터 뱅크 엔트리 1SO1.pdb) ㅇ,로부터 만들었다. S12 구조를 정제하고 그런 다음 변형시켜 S15 에 대한 출발 모델로 삼았다.X-ray crystallography: Large single crystal growth and X-ray diffraction data collection were performed essentially as reported in the literature [Bryan et al., Proteins: Struct. Funct. Genet. , 1: 326-334 (1986b); Pantoliano et al., Biochemistry , 27: 8311-8317 91988); Pantoliano et al., Biochemistry , 28: 7205-7213 (1989). However, it is not necessary to deactivate the S221C variant with diisopropyl fluorophosphate (DFP) in order to obtain a suitable crystal. The starting model for S12 was made from ultrastable subtilisin mutant 8350 (protein data bank entry 1SO1.pdb). The S12 structure was purified and then modified to serve as the starting model for S15.

8.0 Å 과 1.8 Å 해상도 사이의 약 20,000 반사를 가지고 있는 데이터 세트를 사용하여 제한된 최소-스퀘어 기법을 사용하여 두가지 모델을 정제하였다 [Hendrickson et al., "결정학의 컴퓨터화" in Diamond et al., eds.,Bangalore: Indian Institute of Science, 13.01-13.23 (1980)]. S15 에 대한 초기 차등 지도를 생략된 전체 부위 A 영역으로 S12 의 버전에 의해 상을 만들었고, 그것은 명백하게 방해받지 않은 나선을 나타내는 연속 밀도를 보였으며, 이것은 초기 S15 모델이 구성되고 정제가 시작되는 것이 가능하게 한다. 각각의 돌연변이체를 대략 0.30 의 R 로부터 대략 0.18 의 R 까지 약 80 회의 싸이클로 정제하였고, 전자 밀도 지도의 계산 및 그래픽스 모델링 프로그램 FRODO [Jones,J. Appl. Crystallogr., 11:268-272 (1978)] 를 사용한 수동 조정으로 배치하였다.Two models were refined using a limited minimum-square technique using a data set with about 20,000 reflections between 8.0 and 1.8 Å resolution [Hendrickson et al., “Computerization of Crystallography” in Diamond et al., eds., Bangalore: Indian Institute of Science , 13.01-13.23 (1980). The initial differential map for S15 was imaged by a version of S12 with the entire region A region omitted, which showed a continuous density that clearly represents an uninterrupted spiral, which allows the initial S15 model to be constructed and purification to begin. Let's do it. Each mutant was purified in approximately 80 cycles from R of approximately 0.30 to R of approximately 0.18, and the calculation of the electron density map and graphics modeling program FRODO [Jones, J. Appl. Crystallogr. , 11: 268-272 (1978).

결실된 칼슘-결합 루프 영역을 제외하고는, S12 와 S15 의 구조는 매우 유사하며, 근 제곱 평균 (r.m.s.) 편차는 262 α-탄소들 사이에서 0.18 Å 이다. S12 의 N-말단은 (야생형에서와 같이) 부위 A 루프옆에 있고, Q2 의 측쇄 산소인 하나의 칼슘 배위리간드를 제공한다. S15 에서 루프는 없어지고 잔기 1 내지 4 가 무질서해진다. S12 에서는 (야생형에서와 같이) 부위 A 루프가 14 잔기로 이루어진 알파 나선의 마지막 회전에서 방해물로서 존재하는 한편; S15 에서는 이 나선은 방해받지 않고 그것의 전체 길이에 걸쳐 정상적인 나선 기하학을 나타낸다. 확산 차등 밀도 및 보다 높은 온도 인자들은 결실 주변의 새롭게 노출된 잔기들에 약간의 무질서가 생겼음을 나타낸다.With the exception of the deleted calcium-binding loop region, the structures of S12 and S15 are very similar and the root-square mean (r.m.s.) deviation is 0.18 mm 3 between 262 α-carbons. The N-terminus of S12 is next to the Site A loop (as in the wild type) and provides one calcium coordination ligand, the side chain oxygen of Q2. In S15 the loop disappears and residues 1 to 4 become disordered. In S12 the site A loop (as in the wild type) is present as an obstruction at the last turn of the alpha helix of 14 residues; In S15, this helix is unobstructed and represents a normal helix geometry over its entire length. Diffusion differential density and higher temperature factors indicate that there is some disorder in the newly exposed residues around the deletion.

(실시예 5)(Example 5)

차등 스캐닝 열량 측정 : S12 및 S15 의 안정성 성질을 DSC (차등 스캐닝 열량 측정) 을 사용하여 연구하였다. △75-83 돌연변이체 (S15) 는 S12 의 아포효소와 융점 온도에서 매우 유사하다. 아포-S12 및 S15 의 DSC 프로필은 도 3 에 도시된다. 최대 열 용량의 온도는 pH 9.63 에서, S15 에 대해서는 63.0 ℃ 이고, 아포-S12 에 대해서는 63.5 ℃ 이다. DSC 실험은 변성 과정중에 생기는 응집을 피하기 위하여 높은 pH 에서 수행하였다. 단백질 샘플에 의해 흡수된 과잉의 열의 양은 온도로서 일정한 압력에서 접힘 상태로부터 펼쳐진 상태로의 전이를 통하여 증가하였는데, 이것은 펼침의 △H 의 직접적인 측정을 가능하게 하였다 [Privalov et al.,Methods Enzymol., 131:4-51 (1986)]. 아포-12 및 S15 에 대한 펼침의 △Hcal는 약 140 kcal/mol 이다. pH 10.0 이상에서, S15 에 대한 펼침 전이는 2-상태 모델에 타당하게 잘 맞으며, 반트 호프 방정식 (dln K/dT = △HυH/RT2) 으로 표시되는 바와 같이 평형 열역학과 일치한다. 즉, △HυH(바트 호프 엔탈피 또는 외관상 엔탈피) 는 △Hcal(열량 측정기상 또는 사실적인 엔탈피) 와 대략 같다. 그러나 pH 9.63 에서, 두가지 단백질에 대한 용융 프로필은 비대칭적이고, 이것은 펼침이 순수한 2-상 프로세스가 아니라는 것을 나타낸다.Differential Scanning Calorimetry: The stability properties of S12 and S15 were studied using differential scanning calorimetry (DSC). The Δ75-83 mutant (S15) is very similar at the melting point temperature to the apoenzyme of S12. DSC profiles of Apo-S12 and S15 are shown in FIG. 3. The maximum heat capacity temperature is 63.0 ° C. for S15 and 63.5 ° C. for Apo-S12 at pH 9.63. DSC experiments were performed at high pH to avoid aggregation during denaturation. The amount of excess heat absorbed by the protein sample increased through the transition from the folded state to the unfolded state at a constant pressure as temperature, which enabled a direct measurement of ΔH of unfolding [Privalov et al., Methods Enzymol. 131: 4-51 (1986)]. ΔH cal of the spread for Apo-12 and S15 is about 140 kcal / mol. Above pH 10.0, the unfolding transition for S15 fits well with the two-state model and is consistent with the equilibrium thermodynamics as indicated by the Vandt Hof equation (dln K / dT = ΔH vH / RT 2 ). That is, ΔH v H (bart hop enthalpy or apparent enthalpy) is approximately equal to ΔH cal (calorimeter or realistic enthalpy). However, at pH 9.63, the melt profile for the two proteins is asymmetric, indicating that unfolding is not a pure two-phase process.

(실시예 6)(Example 6)

칼슘 분리의 측정 역학 : 서브틸리신으로부터 칼슘의 분리는 느린 과정이다. 이 속도를 측정하기 위하여 형광 칼슘 킬레이터인 퀸 2 를 사용하였다. 퀸 2 는 pH 7.5 에서 1.8 × 108의 Ka값으로 칼슘에 결합한다 [Linse et al.,Biochemistry, 26:6723-6735 (1987)]. 495 nm 에서의 퀸 2 의 형광은 칼슘에 결합했을 때 대략 6 배 증가한다 [Bryant,Biochem. J., 226:613-616 (1985)]. 단리된 상태의 서브틸리신 S11 또는 S12 는 한 분자당 하나의 칼슘 이온을 함유한다. 과잉의 퀸 2 와 혼합되었을 때 단백질로부터의 칼슘 방출의 역학은 495 nm 에서의 형광의 증가로부터 추적할 수 있다. 반응은 경로 N(Ca) ⇔ N + Ca + 퀸 2 ⇔ 퀸 (Ca) 를 따르는 것으로 가정된다. 서브틸리신으로부터 칼슘의 분리는 퀸 2 에 의한 칼슘 결합에 비교할 때 매우 느린 것이어서, 퀸 2 의 형광의 변화는 서브틸리신으로부터 칼슘이 분리되는 속도와 같다. 도 5a 에서 알 수 있는 바와 같이, S11 로부터의 칼슘의 초기 방출은 간단한 일차 역학을 따른다.Measurement Dynamics of Calcium Separation: Separation of calcium from subtilisin is a slow process. Queen 2, a fluorescent calcium chelator, was used to measure this rate. Quine 2 binds to calcium with a K a value of 1.8 × 10 8 at pH 7.5 [Linse et al., Biochemistry , 26: 6723-6735 (1987)]. Fluorescence of Quin 2 at 495 nm increases approximately 6-fold when bound to calcium [Bryant, Biochem. J. , 226: 613-616 (1985). The subtilisin S11 or S12 in the isolated state contains one calcium ion per molecule. The kinetics of calcium release from the protein when mixed with excess Quin 2 can be traced from the increase in fluorescence at 495 nm. The reaction is assumed to follow the path N (Ca) ⇔N + Ca + Queen 2⇔Queen (Ca). Separation of calcium from subtilisin is very slow compared to calcium binding by quin 2, so the change in fluorescence of quin 2 is equal to the rate at which calcium is separated from subtilisin. As can be seen in FIG. 5A, the initial release of calcium from S11 follows simple primary dynamics.

칼슘 분리의 온도 의존성 : 칼슘 분리에 대한 일차 속도 상수 (k) 를 20 °로부터 45℃ 범위까지 측정하였다. ln k 대 1/T°K 의 플롯은 대략 선형이다. 칼슘 분리 데이터는 에링 방정식을 따르는 전이 상태설을 사용하여 곡선 맞춤하였다 :Temperature dependence of calcium separation: The primary rate constant (k) for calcium separation was measured from 20 ° to 45 ° C. The plot of ln k versus 1 / T ° K is approximately linear. Calcium separation data were curve fit using the transition state theory following the Err equation:

△G= -RT ln K= -RT ln kh/kBT△ G = -RT ln K = -RT ln kh / k B T

상기 식에서, kB는 볼쯔만 상수이고, h 는 플랭크 상수이며, k 는 접힘에 대한 일차 속도 상수이다. ln hk/kBT 대 1/T 의 그래프는 도 5b 에 도시된다.Where k B is the Boltzmann constant, h is the flank constant, and k is the primary rate constant for folding. A graph of ln hk / k B T vs 1 / T is shown in FIG. 5B.

그런 다음 데이터를 하기 방정식을 따라 곡선 맞춤하였다 [Chen et al.,Biochemistry, 28:691-699 (1989)] :The data was then curve fitted according to the following equation [Chen et al., Biochemistry , 28: 691-699 (1989)]:

ln K= A + B(To/T) + C ln (To/T)ln K = A + B (To / T) + C ln (To / T)

상기 식에서, A=[△Cp+△S(To)]/R; B=A-△G(To)/RTo; C=△Cp/R. 얻어진 데이터는 다음의 결과를 산출한다:△G=22.7kcal/mol; △Cp'= - 0.2 kcal/°mol; △S'= - 10 cal/°mol; 및 △H'= 19.7kcal/mol 참조 온도, 25 ℃. 플롯의 가능한 약간의 만곡은 전이 상태의 형성과 관련된 열 용량의 변화때문일 것이다 (△Cp'= 0.2 kcal/°mol). 단백질 접힘에 대한 △Cp 는 물에 대한 소수성 그룹의노출의 변화와 밀접한 상관관계가 있는 것으로 나타났다 [privalov et al.,Adv. Protein Chem., 39:191-234 (1988); Livingstone et al.,Biochemistry, 30:4237-4244 (1991)]. 그러므로 열 용량의 견지에서, 전이 상태는 천연 단백질에 유사한 것으로 나타난다. 도 5b 로부터 얻어진 △S'및 △H'에 대한 값들은 전이 상태가 엔트로피에 단지 작은 변화만을 보이는 칼슘 결합된 상태보다 엔탈피적으로 덜 바람직함을 나타낸다.Wherein A = [ΔCp + ΔS (To)] / R; B = A-ΔG (To) / RTo; C = △ Cp / R. The data obtained give the following results: DELTA G = 22.7 kcal / mol; ΔCp ′ = −0.2 kcal / ° mol; ΔS ′ = − 10 cal / ° mol; And ΔH ' = 19.7 kcal / mol reference temperature, 25 ° C. Some possible curvature of the plot may be due to changes in heat capacity associated with the formation of the transition state (ΔCp ' = 0.2 kcal / ° mol). ΔCp for protein folding was closely correlated with changes in the exposure of hydrophobic groups to water [privalov et al., Adv. Protein Chem. 39: 191-234 (1988); Livingstone et al., Biochemistry , 30: 4237-4244 (1991). Therefore, in terms of heat capacity, the transition state appears to be similar to natural protein. The values for ΔS and ΔH ′ obtained from FIG. 5B indicate that the transition state is enthalpy less desirable than the calcium bound state showing only a small change in entropy.

본 발명의 다른 구체예들도 본 발명의 명세서와 거기에 명시된 발명을 숙고하면 당업자들에게 명백할 것이다. 본 명세서와 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 발명의 진정한 사상 및 범위는 다음의 청구의 범위에 의해 나타날 것으로 이해되어야 한다.Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art upon consideration of the specification of the invention and the invention set forth therein. It is to be understood that the specification and examples are exemplary only, with a true spirit and scope of the invention being indicated by the following claims.

(서열목록)(Sequence list)

(1) 일반적정보(1) General Information

(i) 출원인: 브라이언, 필립 엔(i) Applicant: Brian, Philip N

알렉산더,패트릭Alexander, Patrick

스트라우스베르그, 수잔 엘Straussberg, Susan L

(ii) 발명의 명칭: 칼슘-비결합 서브틸리신 돌연변이체(ii) Name of the Invention: Calcium-Unbound Subtilisin Mutant

(iii) 서열의 개수 : 1(iii) Number of sequences: 1

(iv) 서신연락주소:(iv) Correspondence address:

(A) 수신인: 도앤, 스웩커 앤드 매티스(A) To: Doanne, Skunker & Mathis

(B) 거리: 피.오.박스 : 1404(B) Distance: P. Box: 1404

(C) 시 : 알렉산드리아(C) Poetry: Alexandria

(D) 주 : 버지니아(D) State: Virginia

(E) 국명: 미합중국(E) Country name: United States of America

(F) 우편번호: 22313-1404(F) Zip code: 22313-1404

(v) 컴퓨터판독형태:(v) Computer-readable form:

(A) 매체유형: 플로피디스크(A) Media Type: Floppy Disk

(B) 컴퓨터 : IBM PC 호환성(B) Computer: IBM PC Compatibility

(C) 운영체계: PC-DOS/MS-DOS(C) operating system: PC-DOS / MS-DOS

(D) 소프트웨어: 패턴트인 릴리스 # 1.0 버전 # 1.25(D) Software: Patterned Release # 1.0 Version # 1.25

(vi) 계류중 출원데이타:(vi) pending application data:

(A) 출원번호 : WO PCT/US95/05520(A) Application number: WO PCT / US95 / 05520

(B) 출원일자: 1995년 4월 28일(B) Application date: April 28, 1995

(C) 분류기호:(C) Classification code:

(vii) 선출원 데이타:(vii) First application data:

(A) 출원번호: US 08/309,069(A) Application number: US 08 / 309,069

(B) 출원일자: 1994년 9월 20일(B) Application date: September 20, 1994

(viii) 대리인정보:(viii) Representative Information:

(A) 성명: 무쓰, 돈나 엠(A) Name: Mutsu, Donna M

(B) 등록번호: 36,607(B) Registration Number: 36,607

(C) 사건번호: 028758-003(C) Case Number: 028758-003

(ix) 전기통신정보:(ix) Telecommunication information:

(A) 전화: (703) 836-6620(A) Telephone: (703) 836-6620

(B) 팩스: (703) 836-2021(B) Fax: (703) 836-2021

(2) SEQ ID NO : 1 (서열 1)에 대한 정보(2) Information about SEQ ID NO: 1 (SEQ ID NO: 1)

(i) 서열특징:(i) Sequence features:

(A) 길이: 1868 염기쌍(A) Length: 1868 base pairs

(B) 유형: 핵산(B) Type: nucleic acid

(C) 가닥수: 단일(C) strands: single

(D) 형태: 선형(D) mode: linear

(ii) 분자종류: DNA (게놈)(ii) Molecular type: DNA (genome)

(ix) 특성 :(ix) characteristics:

(A) 명칭/키: CDS(A) Name / Key: CDS

(B) 위치: 450..1599(B) Location: 450..1599

(ix) 특성 :(ix) characteristics:

(A) 명칭/키: mat_ 펩티드(A) Name / Key: mat_ peptide

(B) 위치: 772..1599(B) Location: 772..1599

(ix) 특성 :(ix) characteristics:

(A) 명칭/키: misc_특성(A) Name / Key: misc_character

(B) 위치: 450(B) location: 450

(C) 기타정보: /주 = "위치 450에서의 아미노산 Val은 fMet이다."(C) Other information: / week = "Amino acid Val at position 450 is fMet."

(xi) 서열내용: SEQ ID NO:1: (서열 1)(xi) SEQ ID NO: SEQ ID NO: 1: (SEQ ID NO: 1)

[서열 1a][SEQ ID NO: 1a]

Figure pct00002
Figure pct00002

[서열 1b][SEQ ID NO: 1b]

Figure pct00003
Figure pct00003

Claims (15)

고친화성 칼슘 결합 부위에서 서브틸리신 단백질의 칼슘 결합 능력이 제거되도록 돌연변이되어 있는 효소적으로 활성인 서브틸리신 단백질로서, 돌연변이된 서브틸리신 단백질이 위치 75-83에서 아미노산의 결실을 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.An enzymatically active subtilisin protein mutated to remove the calcium binding ability of the subtilisin protein at the high affinity calcium binding site, wherein the mutated subtilisin protein comprises a deletion of amino acids at positions 75-83. Characterized by a subtilisin mutant. 제 1 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W 또는 S3C 의 최소한 하나의 치환 돌연변이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.The method of claim 1, wherein the subtilisin mutant is at least one of N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W or S3C. Subtilisin mutant, characterized in that it further comprises a substitution mutation. 제 2 항에 있어서, 돌연변이체는 β-리본 아미노산 202-219 에 하나 또는 그 이상의 추가의 돌연변이를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.3. The subtilisin mutant of claim 2, wherein the mutant has one or more additional mutations in β-ribbon amino acids 202-219. 제 2 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K 및 P5S 의 치환 돌연변이를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.3. The subtilisin mutant of claim 2, wherein the subtilisin mutant comprises substitutional mutations of N218S, M50F, Y217K and P5S. 제 2 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K, Q271E,Q2K, A73L 및 Q206V 의 치환 돌연변이를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.3. The subtilisin mutant of claim 2, wherein the subtilisin mutant comprises substitutional mutations of N218S, M50F, Y217K, Q271E, Q2K, A73L and Q206V. 제 2 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K, Q271E, Q2K, A73L 및 Q206C 의 치환 돌연변이를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.3. The subtilisin mutant of claim 2, wherein the subtilisin mutant comprises substitutional mutations of N218S, M50F, Y217K, Q271E, Q2K, A73L and Q206C. 제 2 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K, Q271E, Q2K, A73L, Q206C 및 S3C 의 치환 돌연변이를 포함하는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.3. The subtilisin mutant of claim 2, wherein the subtilisin mutant comprises substitutional mutations of N218S, M50F, Y217K, Q271E, Q2K, A73L, Q206C and S3C. 제 1 항에 있어서, 서브틸리신이 바실루스 스트레인으로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.The subtilisin mutant of claim 1, wherein the subtilisin is derived from a Bacillus strain. 제 8 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 서브틸리신 BPN' 돌연변이체, 서브틸리신 칼스베르그 돌연변이체, 서브틸리신 DY 돌연변이체, 서브틸리신 아밀로사카리티쿠스 돌연변이체 또는 서브틸리신 메센티코펩티다제 돌연변이체 또는 서브틸리신 사비나제 돌연변이체인 것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.9. The subtilisin mutant of claim 8, wherein the subtilisin mutant is a subtilisin BPN 'mutant, a subtilisin Carlsberg mutant, a subtilisin DY mutant, a subtilisin amylosacariticus mutant or a subtilisin mesentico A subtilisin mutant, characterized in that it is a peptidase mutant or a subtilisin sabinase mutant. 제 9 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 서브틸리신 BPN' 돌연변이체인것을 특징으로 하는 서브틸리신 돌연변이체.10. The subtilisin mutant of claim 9, wherein the subtilisin mutant is a subtilisin BPN 'mutant. 고친화성 칼슘 결합 부위에서 서브틸리신 단백질의 칼슘 결합 능력이 제거되도록 돌연변이되어 있고, 이 돌연변이된 서브틸리신 단백질이 SEQ ID NO: 1의 뉴클레오티드 위치 993-1019 에 해당하는 위치 75-83 에서 아미노산의 결실을 포함하는 효소적으로 활성인 서브틸리신 단백질의 발현을 제공하는 재조합 방법으로서, 하기의 단계들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법 :The high affinity calcium binding site is mutated to remove the calcium binding ability of the subtilisin protein, and the mutated subtilisin protein is modified at amino acids 75-83 corresponding to nucleotide positions 993-1019 of SEQ ID NO: 1 A recombinant method for providing expression of an enzymatically active subtilisin protein comprising a deletion, the method comprising the following steps: (a) 발현시 칼슘 단백질에 결합하지 않는 서브틸리신의 발현을 제공하는 효소적으로 활성인 서브틸리신 DNA 를 함유하는 발현 벡터로 재조합 숙주 세포를 형질전환시키는 단계;(a) transforming the recombinant host cell with an expression vector containing enzymatically active subtilisin DNA that provides expression of subtilisin that does not bind calcium protein upon expression; (b) 상기 숙주 세포를 효소적으로 활성인 서브틸리신 돌연변이체의 발현을 제공할 조건하에서 배양하는 단계; 그리고(b) culturing the host cell under conditions that will provide expression of an enzymatically active subtilisin mutant; And (c) 상기 미생물 숙주로부터 발현된 효소적으로 활성인 서브틸리신 돌연변이체를 회수하는 단계.(c) recovering the enzymatically active subtilisin mutant expressed from said microbial host. 제 11 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W 또는 S3C 의 최소한 하나의 치환 돌연변이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재조합 방법.The method of claim 11, wherein the subtilisin mutant is at least one of N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W or S3C. Recombinant method characterized in that it further comprises a substitution mutation. 제 12 항에 있어서, 서브틸리신 돌연변이체가 서브틸리신 BPN' 돌연변이체인 것을 특징으로 하는 재조합 방법.13. The method of claim 12, wherein the subtilisin mutant is a subtilisin BPN 'mutant. 고친화성 칼슘 결합 부위에서 서브틸리신 단백질의 칼슘 결합 능력이 제거되도록 돌연변이되어 있고, 이 돌연변이된 서브틸리신 단백질이 SEQ ID NO:1 의 뉴클레오티드 위치 993-1019 에 해당하는 위치 75-83 에서 아미노산의 결실을 포함하며, 돌연변이된 서브틸리신 단백질이 효소 활성 및 안정성을 보유하는 서브틸리신 단백질을 코드화하는 것을 특징으로 하는 재조합 DNA.The high affinity calcium binding site is mutated to remove the calcium binding capacity of the subtilisin protein, and the mutated subtilisin protein is modified at amino acids 75-83 corresponding to nucleotide positions 993-1019 of SEQ ID NO: 1. A recombinant DNA comprising a deletion, wherein the mutated subtilisin protein encodes a subtilisin protein that retains enzymatic activity and stability. 제 14 항에 있어서, 서브틸리신 DNA가 N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W 또는 S3C 의 최소한 하나의 치환 돌연변이를 더 포함하는 서브틸리신 BPN' 코드화 서열인 것을 특징으로 하는 재조합 DNA.15. The method of claim 14, wherein the subtilisin DNA is at least one of N218S, M50F, Y217K, P5S, D41A, K43R, K43N, Q271E, Q2K, Q2W, Q2L, A73L, A73Q, Q206C, Q206V, Q206I, Q206W or S3C. Recombinant DNA, characterized in that the subtilisin BPN 'coding sequence further comprising a substitution mutation.
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